Полиплоидия. Решение задач с полиплоидией

Что такое полиплоидия

Полиплоидия - мутация, приводящая к кратному увеличению числа наборов хромосом. Мы знаем, что гены локализованы в хромосомах. Если хромосомы имеют одинаковый набор генов и имеют одинаковую форму и размер, то они называются гомологичные хромосомы. В норме большинство организмов имеет двойной набор хромосом, то есть этот набор состоит из пар гомологичных хромосом. Например, в записи генотипа "Aa" каждый символ обозначает аллель гена в паре гомологичных хромосом. Число наборов хромосом в клетках каждого организма называют - плоидность, а организм с двойным набором хромосом - диплоидом. В норме в процессе мейоза в гамету может попасть только одна хромосома из каждой пары гомологичных хромосом. Например для организма с генотипом "Aa" мы получаем гаметы "A" and "a", то есть гаметы имеют только один гаплоидный набор хромосом. В дальнейшем, при слиянии гамет с гаплоидным набором хромосом, вновь образуется диплоидный организм. У него два набора хромосом, из которых один поступил от материнского организма, а другой от отцовского. Но процесс клеточного деления может быть нарушен, что может привести к изменению числа наборов хромосом. И в результате этого мы можем получить полиплоидов - организмов с увеличенным набором хромосом.

Полиплоидия у животных

В животном мире полиплоиды встречаются у видов, утративших нормальный половой процесс и видов, у которых яйцеклетки развиваются без оплодотворения (Партеногенез), например у нематод, аскарид, пиявок, у некоторых видов насекомых, земноводных и рыб. У многих млекопитающих полиплоидные клетки встречаются в отдельных органах (печень, и др.), но пример полной полиплоидии известен лишь один это тетраплоид - южно-американская крыса вискаша (the South American red viscacha rat)(Tympanoctomys barrerae) (вид, родственный морским свинкам и шиншиллам). Эти животные принадлежат семейству Octodontidae, отряда грызунов. Живут в Аргентине на солончаках и крайне редки. Основная причина того, что полиплоидия у животных встре­чается редко, заключается в том, что этот тип мутаций на­рушает функционирование хромосомного механизма определения пола: если количество X - хромосом пре­вышает две, у организмов отмечаются нарушения в разви­тии и они или погибают, или неспособны к размножению. В геноме этой крысы учетверены только аутосомы, а число X - хромосом - обычное для диплоидных организмов. Исследователи полагают, что именно благодаря этому красные вискаши сохранили жизнеспособность и плодовитость.

Полиплоидия у растений

У большинства растений этого ограничения не существует, поскольку у них нет X - хромосом и возможно самоопыление. Поэтому полиплоидия гораздо чаще встречается среди растений, нежели среди животных. Существуют природные и искусственно полученные полиплоиды. Например, мягкая пшеница - природный полиплоид, состоящий из шести гаплоидных наборов хромосом родственных видов злаков. Полиплоиды получают в результате воздействия на растения температуры, ионизирующей радиации, химических веществ (колхицин), которые разрушают веретено деления клетки. Многие культурные растения полиплоидны, то есть содержат более двух наборов хромосом. Среди полиплоидов оказываются многие основные продовольственные культуры: пшеница, картофель, овес. В растениеводстве известно более 500 полиплоидов (рожь, сахарная свекла, виноград, гречиха, мята, редис, лук и др.). Некоторые полиплоиды обладают большой устойчивостью к действию неблагоприятных факторов и хорошей урожайностью. Большое многообразие полиплоидов наблюдается в цветоводстве: если одна исходная форма в гаплоидном наборе имела 9 хромосом, то культивируемые растения этого вида могут иметь 18, 36, 54 и больше хромосом. Различают автополиплоидов и аллополиплоидов.

Автополиплоидия и Аллоплоидия

Автополиплоидия - наследственное изменение, кратное увеличение числа наборов хромосом в клетках организма одного и того же биологического вида. На основе искусственной автополиплоидии синтезированы новые формы и сорта ржи, гречихи, сахарной свёклы и других растений.

Аллоплоидия - кратное увеличение количества хромосом у гибридных организмов. Возникает при скрещивании растений, которые относятся к разным видам или родам. Гибриды первого поколения, как правило, бесплодны. Причина бесплодия заключается в нарушении коньюгации хромосом в мейозе. Увеличение числа наборов хромосом у таких гибридов приводит к восстановлению плодовитости.

Триплоиды

Триплоиды имеют три набора хромосом. Известны такие триплоиды как банан, арбуз, имбирь, цитрусовые. Большинство таких растений стерильны и только небольшая часть из них фертильны. Используя генетический калькулятор можно посмотреть какие типы гамет даст триплоид. Для этого нужно каждую группу хромосом (генов) в записи генотипа родителей заключить в символы амперсанда, например так: &AAA&. Такая запись учитывает все возможные комбинации, в том числе и те, которые являются результатом нерасхождения хромосом. А так как нерасхождение хромосом возникает достаточно редко, то соотношение гамет в данном случае не будет соответствовать действительности, также как и соотношение по генотипам или фенотипам в таком скрещивании. Выбрав пункт "Гаметы генотипа 1" для результатов скрещивания вы увидите комбинации гамет, которые могут образоваться. Как вы можете видеть гаметы могут быть гаплоидными, диплоидными или иметь несбалансированное число хромосом. Гамет последнего типа формируется достаточно много, что и определяет стерильность большинства организмов с нечетным набором хромосом, в данном случае триплоидов.

Однако мы должны сказать, что существуют растения для которых триплоидия это норма, например это сосна(57 хромосом), свекла(27), яблоня(51). Такие растения дают нормальные гаметы. Для того, чтобы отобрать только нормальные гаметы в конец записи необходимо добавить символы процентов вот так - &AAA%%&. Как программа определяет какие гаметы - нормальные? В случае четного числа наборов хромосом плоидность просто делится на 2. В случае нечетного числа плоидность также делится на 2, но затем к полученному результату прибавляют 0.5 и отнимают 0.5 и таким образом мы получим два значения. Например для триплоидов нормальные гаметы это гаплоиды (A) и диплоиды (AA) (3/2 = 1.5; 1.5 + 0.5 = 2(AA); 1.5 - 0.5 = 1(A)). Если нужно отобрать только гаметы с определенной плоидностью, то для этого ты должен между знаками процентов написать нужное значение. Например - &AAA%1%& если нужны только гаплоидные гаметы или &AAA%2%& - если нужны только диплоидные гаметы. Соотношение нормальных гамет полностью достоверно и если для обоих родительских генотипов в скрещивании вы используете отбор нормальных гамет, то и соотношения по генотипам и фенотипам будет достоверным.

Полиплоиды могут быть гомозиготными и гетерозиготными. Гомозиготные триплоиды это "AAA" и "aaa". А гетерозиготные это "Aaa" and "AAa". Есть одно важное правило для решения генетических задач с полиплоидами. В каждой группе полиплоидных генов ты можешь использовать только по одному типу доминантного и рецессивного аллелей, например вот так: &AAa%%&&Bbb%%& а такая запись как - &Aab%%& будет неверной. В отличие от полигенного наследования - для полиплоидии порядок написания доминантных и рецессивных аллелей неважен. Поэтому написав генотипы таким образом &aAa%%& или &aaA%%& ты все равно получишь верные результаты. Выбрав пункт "Гаметы генотипа 1" для результатов скрещивания вы увидите комбинации гамет, которые будут давать триплоиды "&AAA%%&", "&aaa%%&" и "&Aaa%%&", "&AAa%%&". Используя генетический калькулятор вы также можете увидеть какие соотношения по фенотипам могут дать эти триплоиды в скрещиваниях.

Тетраплоиды, гексаплоиды и другие полиплоиды

В природе можно также встретить растения с пятью гаплоидными наборами хромосом - пентаплоиды. Например Kenai Birch (Betula papyrifera) - это пентаплоид. Как и триплоиды, пентаплоиды это полиплоиды с нечетным набором хромосом. Для пентаплоидов нормальные гаметы это триплоиды (AAA) и диплоиды (AA) (5/2 = 2.5; 2.5 + 0.5 = 3(AAA); 2.5 - 0.5 = 2(AA)). Используя генетический калькулятор вы также можете увидеть какие соотношения по гаметам и фенотипам могут дать пентаплоиды.

Но лучше изучены полиплоиды с четным набором хромосом - тетраплоиды (четыре набора хромосом) и гексаплоиды (шесть наборов хромосом). Известны такие тетраплоиды как твердая пшеница, картофель, капуста, табак, лук-порей, арахис, хлопок, яблоня, пеларгониум. Для тетраплоидов нормальные гаметы это диплоиды (AA) (4/2 = 2(AA)). А варианты родительских генотипов, которые вы можете использовать в генетическом калькуляторе - такие &AAAA%%&, &AAAa%%&, &AAaa%%&, &Aaaa%%&, &aaaa%%&.

Из гексаплоидов известны такие как тритикале, овес, хризантема и киви. Для гексаплоидовв нормальные гаметы это триплоиды (AAA) (6/2 = 3(AAA)). А варианты родительских генотипов, которые вы можете использовать в генетическом калькуляторе - такие &AAAAAA%%&, &AAAAAa%%&, &AAAAaa%%&, &AAAaaa%%&, &AAaaaa%%&, &Aaaaaa%%&, &aaaaaa%%&.

Также известны октаплоиды (восемь наборов хромосом) такие как анютины глазки, сахарный тростник, георгины и клубника (нормальные гаметы - тетраплоиды (8/2 = 4(AAAA)). Декаплоиды (десять наборов хромосом), например некоторые сорта клубники (нормальные гаметы - пентаплоиды (10/2 = 5(AAAAA)). Додекаплоиды (двенадцать наборов хромосом), например растение Celosia argentea (нормальные гаметы - гексаплоиды (12/2 = 6(AAAAAA)).

(от греч. polýploos - многопутный, здесь - многократный и éidos - вид)

кратное увеличение числа хромосом (См. Хромосомы) в клетках растений или животных. П. широко распространена в мире растений. Среди раздельнополых животных встречается редко, главным образом у аскарид и некоторых земноводных.

Соматические клетки растений и животных, как правило, содержат двойное (диплоидное) число хромосом (2 n ); одна из каждой пары гомологичных хромосом происходит от материнского, а другая - от отцовского организмов. В отличие от соматических, половые клетки имеют уменьшенное исходное (гаплоидное) число хромосом (n ). В гаплоидных клетках каждая хромосома единична, не имеет парной себе гомологичной. Гаплоидное число хромосом в клетках организмов одного вида называется основным, или базовым, а совокупность Генов, заключённую в таком гаплоидном наборе, - Геномом. Гаплоидное число хромосом в половых клетках возникает вследствие редукции (уменьшения) вдвое числа хромосом в Мейозе, а диплоидное число восстанавливается при оплодотворении (См. Оплодотворение). (Довольно часто у растений в диплоидной клетке бывают т. н. В-хромосомы, добавочные к какой-либо из хромосом. Роль их мало изучена, хотя у кукурузы, например, всегда имеются такие хромосомы.) Число хромосом у различных видов растений весьма разнообразно. Так, один из видов папоротника (Ophioglosum reticulata) имеет в диплоидном наборе 1260 хромосом, а у самого филогенетически развитого семейства сложноцветных вид Haplopappus gracilis имеет всего 2 хромосомы в гаплоидном наборе.

При П. наблюдаются отклонения от диплоидного числа хромосом в соматических клетках и от гаплоидного - в половых. При П. могут возникать клетки, в которых каждая хромосома представлена трижды (3 n ) - триплоидные, четырежды (4 n ) - тетраплоидные, пять раз (5 n ) - пентаплоидные и т.д. Организмы с соответственным кратным увеличением наборов хромосом - плоидности (См. Плоидность) - в клетках называются триплоидами, тетраплоидами, пентаплоидами и т.д. или в целом - полиплоидами.

Кратное увеличение числа хромосом в клетках может возникать под действием высокой или низкой температуры, ионизирующих излучений, химических веществ, а также в результате изменения физиологического состояния клетки. Механизм действия этих факторов сводится к нарушению расхождения хромосом в Митозе или мейозе и образованию клеток с кратно увеличенным числом хромосом по сравнению с исходной клеткой. Из химических агентов, вызывающих нарушение правильного расхождения хромосом, наиболее эффективен алкалоид колхицин, препятствующий образованию нитей веретена деления клетки (См. Веретено деления клетки). (Воздействуя разбавленным раствором колхицина на семена и почки, легко получают экспериментальные полиплоиды у растений.) П. может возникать и вследствие эндомитоза - удвоения хромосом без деления ядра клетки. В случае нерасхождения хромосом в митозе (митотическая П.) образуются полиплоидные соматические клетки, при нерасхождении хромосом в мейозе (мейотическая П.) - половые клетки с измененным, чаще диплоидным, числом хромосом (т. н. нередуцированные гаметы). Слияние таких гамет даёт полиплоидную зиготу: тетраплоидную (4 n ) - при слиянии двух диплоидных гамет, триплоидную (3 n ) - при слиянии нередуцированной гаметы с нормальной гаплоидной и т.д.

Возникновение клеток с числом хромосом 3-, 4-, 5-кратным (и более) гаплоидному набору, называется геномными мутациями (См. Мутации), а получаемые формы - эуплоидными. Наряду с эуплоидией часто встречается Анеуплоидия, когда появляются клетки с изменением числа отдельных хромосом в геноме (например, у сахарного тростника, пшенично-ржаных гибридов и др.). Различают автополиплоидию (См. Автополиплоидия) - кратное увеличение числа хромосом одного и того же вида, и аллополиплоидию (См. Аллополиплоидия) - кратное увеличение числа хромосом у гибридов при скрещивании разных видов (межвидовая и межродовая гибридизация).

У полиплоидных форм растений нередко наблюдается гигантизм - увеличение размеров клеток и органов (листьев, цветков, плодов), а также повышение содержания ряда химических веществ, изменение сроков цветения и плодоношения. Эти особенности чаще наблюдаются у перекрёстноопыляющихся форм, чем у самоопылителей. Хозяйственно-полезные качества полиплоидов издавна привлекали внимание селекционеров, что привело к развёртыванию работ по искусственному получению полиплоидов, которые представляют важный источник изменчивости и могут быть использованы как исходный материал для селекции (например,. триплоидная сахарная свёкла, тетраплоидный клевер, редис и др.). Обычный недостаток автополиплоидов - низкая плодовитость. Однако после длительного отбора можно получить линии с достаточно высокой плодовитостью. Неплохие результаты даёт создание искусственных синтетических популяций, составленных из наиболее плодовитых линий автополиплоидов некоторых перекрёстноопыляющихся растений, например ржи.

Не меньшее значение в селекции имеют и аллополиплоиды. Хромосомные наборы, входящие в состав аллополиплоидов, не одинаковы; они различаются набором содержащихся в них генов, а иногда формой и числом хромосом. При скрещивании растений разных родов, например ржи и пшеницы, возникает гибрид с гаплоидным набором ржи и гаплоидным набором пшеницы. Такой гибрид стерилен и лишь удвоение числа хромосом каждого растения, т. е. получение амфидиплоидов (См. Амфидиплоиды), может нормализовать мейоз и восстановить плодовитость. Аллополиплоидия может быть методом синтеза новых форм на основе гибридизации. Классический пример такого синтеза - получение Г. Д. Карпеченко рафанобрассики - гибрида редьки и капусты с 36 хромосомами (18 от редьки и 18 от капусты). Селекционерами (в СССР - В. Е. Писаревым, Н. В. Цициным, А. И. Державиным, А. Р. Жебраком и др.) аллополиплоиды получены у значительного числа видов растений. Большинство культурных растений, возделываемых человеком, - полиплоиды.

П. имела огромное значение в эволюции дикорастущих и культурных растений (полагают, что около трети всех видов растений возникли за счёт П., хотя в некоторых группах, например у хвойных, грибов, это явление наблюдается редко), а также некоторых (преимущественно партеногенетических) групп животных. Доказательством роли П. в эволюции служат т. н. полиплоидные ряды, когда виды одного рода или семейства образуют эуплоидный ряд с увеличением числа хромосом, кратным основному гаплоидному (например, пшеница Triticum monococcum имеет 2n = 14 хромосом, Tr. turgidum и др. - 4n = 28, Tr. aestivum и др. -6n = 42). Полиплоидный ряд видов рода паслён (Solanum) представлен рядом форм с 12, 24, 36, 48, 60, 72 хромосомами. Среди партеногенетически размножающихся животных полиплоидные виды не менее часты, чем среди апомиктических растений (см. Апомиксис, Партеногенез). Советскому учёному Б. Л. Астаурову впервые удалось искусственно получить плодовитую полиплоидную форму (тетраплоид) из гибридов двух видов шелкопряда: Bombyx mori и В. mandarina. На основании этих работ им предложена гипотеза непрямого (через партеногенез и гибридизацию) происхождения раздельнополых полиплоидных видов животных в природе. См. также Видообразование.

Лит.: Бреславец Л. П., Полиплоидия в природе и опыте, М., 1963; Экспериментальная полиплоидия в селекции растений. Сб. ст., Новосиб., 1966; Майр Э., Зоологический вид и эволюция, пер. с англ., М., 1968; Астауров Б. Л., Экспериментальная полиплоидия и гипотеза непрямого (опосредованного партеногенезом) происхождения естественной полиплоидии у бисексуальных животных, «Генетика», 1969, т. 5, № 7; его же, Experimental polyploidy in animals, «Annual Review of Genetics», 1969, v. 3; его же, Партеногенез и полиплоидия в эволюции животных, «Природа», 1971, № 6; Жуковский П. М., Эволюционные аспекты полиплоидии растений, там же; Карпеченко Г. Д., Избр. труды, М., 1971.

М. Е. Лобашев.

• - явление, когда в составе вириона имеются два идентичных генома; два или более разных геномов; один геном, содержащий генетическую информацию двух вирусов...

  Словарь микробиологии

• - induced polyploidy - ...

  Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь

• - эуплоидия, наследств...

  Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь

• - полиплоиди́я, наследственное изменение, заключающееся в кратном увеличении основного числа хромосом в ядрах половых клеток организмов...

  Ветеринарный энциклопедический словарь

• - наследственные изменения, связанные с увеличением числа целых хромосомных наборов; обусловливается спонтанной или экспериментально вызванной геномной мутацией...

  Словарь ботанических терминов

• - Геномная мутация, состоящая в увеличении диплоидного числа хромосом путем спонтанного или вызванного экспериментально добавления целых хромосомных наборов...

  Термины и определения, используемые в селекции, генетике и воспроизводстве сельскохозяйственных животных

• - наследственное изменение, заключающееся в кратном увеличении числа наборов ХРОМОСОМ в клетках или ядрах организма...

ПОЛИПЛОИД- организм, происходящий от одной или двух родительских форм путем удвоения числа хромосом. Явление увеличения числа хромосом наз. полиплоидией. Это удвоение может быть спонтанным или искусственно индуцированным. Впервые явление полиплоидии было открыто И.И.Герасимовым в 1890г.

ПОЛИПЛОИДИЯ- это увеличение числа наборов хромосом в клетках организма, кратное гаплоидному (одинарному) числу хромосом; тип геномной мутации . Половые клетки большинства организмов гаплоидны (содержат один набор хромосом – n), соматические – диплоидны (2n).

Организмы, клетки которых содержат более двух наборов хромосом, называются полиплоидами: три набора – триплоид (3n), четыре – тетраплоид (4n) и т. д. Наиболее часто встречаются организмы с числом хромосомных наборов, кратным двум, – тетраплоиды, гексаплоиды (6 n) и т. д. Полиплоиды с нечётным числом наборов хромосом (триплоиды, пентаплоиды и т. д.) обычно не дают потомства (стерильны), т. к. образуемые ими половые клетки содержат неполный набор хромосом – не кратный гаплоидному.

Полиплоидия может возникнуть при нерасхождении хромосом в мейозе . В этом случае половая клетка получает полный (нередуцированный) набор хромосом соматической клетки (2n). При слиянии такой гаметы с нормальной (n) образуется триплоидная зигота (3n), из которой развивается триплоид. Если обе гаметы несут по диплоидному набору, возникает тетраплоид.

Полиплоидные клетки могут возникнуть в организме при незавершённом митозе : после удвоения хромосом деления клетки может не происходить, и в ней оказываются два набора хромосом. У растений тетраплоидные клетки могут дать начало тетраплоидным побегам, цветки которых будут вырабатывать диплоидные гаметы вместо гаплоидных. При самоопылении может возникнуть тетраплоид, при опылении нормальной гаметой – триплоид. При вегетативном размножении растений сохраняется плоидность исходного органа или ткани.

Полиплоидия широко распространена в природе, но среди разных групп организмов представлена неравномерно. Большое значение этот тип мутаций имел в эволюции диких и культурных цветковых растений, среди которых ок. 47 % видов – полиплоиды. Высокая степень плоидности свойственна простейшим – число наборов хромосом у них может возрастать в сотни раз. Среди многоклеточных животных полиплоидия редка и более характерна для видов, утративших нормальный половой процесс, – гермафродитов (см.Гермафродитизм ), напр. земляных червей, и видов, у которых яйцеклетки развиваются без оплодотворения (см. Партеногенез ), напр. некоторых насекомых, рыб, саламандр. Одна из причин, по которой полиплоидия у животных встречается значительно реже, чем у растений, заключается в том, что у растений возможно самоопыление, а большинство животных размножается путём перекрёстного оплодотворения, и, значит, возникшему мутанту-полиплоиду нужна пара – такой же мутант-полиплоид другого пола. Вероятность подобной встречи крайне низка. Довольно часто у животных бывают полиплоидными клетки отдельных тканей (напр., у млекопитающих – клетки печени).

Полиплоидные растения часто более жизнеспособны и плодовиты, чем нормальные диплоиды. О их большей устойчивости к холоду свидетельствует увеличение числа видов-полиплоидов в высоких широтах и в высокогорьях.

Поскольку полиплоидные формы часто обладают ценными хозяйственными признаками, искусственную полиплоидизацию применяют в растениеводстве для получения исходного селекционного материала. С этой целью используют специальные мутагены (напр., алкалоид колхицин), нарушающие расхождение хромосом в митозе и мейозе. Получены урожайные полиплоиды ржи, гречихи, сахарной свёклы и др. культурных растений; стерильные триплоиды арбуза, винограда, банана популярны благодаря бессемянным плодам.

Применение отдалённой гибридизации в сочетании с искусственной полиплоидизацией позволило отечественным учёным ещё в 1-й пол. 20 в. впервые получить плодовитые полиплоидные гибриды растений (Г.Д. Карпеченко, гибрид-тетраплоид редьки и капусты) и животных (Б.Л. Астауров, гибрид-тетраплоид тутового шелкопряда).

(Полиплоидные ряды)

Различают:

-автополиплоидию (кратное увеличение числа наборов хромосом одного вида), характерную, как правило, для видов с вегетативным способом размножения (автополиплоиды стерильны в связи с нарушением конъюгации гомологичных хромосом в процессе мейоза),

-аллополиплоидию суммирование в организме числа хромосом от разных видов), при крой обычно происходит удвоение числа хромосом у бесплодного диплоидного гибрида, и он становится в результате этого плодовитым.

- эндополиплоэдию- простое увеличение числа хромосом в одной клетке или в клетках целой ткани (тапетум).

Как видно из схемы, митотическая полиплоидизация происходит в результате удвоения числа хромосом в соматической клетке без последующего образования клеточной перегородки. При зиготоческой полиплоидизации образование зигот идет нормально, но первое деление по типу митоза не сопровождается разделением ее на две клетки. В результате клетки образовавшегося зародыша будут иметь двойной набор хромосом (4х). И наконец, мейотическая полиплоидизация имеет место при отсутствии редукции числа хромосом в генеративных клетках (яйцеклетка, спермии).

Спонтанная полиплоидизация- явление очень редкое. В исследованиях для получения полиплоидов использовали чаще всего тепловой шок и закись азота. Однако подлинный прогресс в изучении полиплоидии был достигнут после открытия Блексли и др. в 1937г. алкалоида колхоцина (С 22 Н 26 О 6), получаемого из безвременника. С тех пор, он с успехом применяется для получения полиплоидов у сотни видов растений. Колхицин воздействует на веретено деления в клетке, препятствуя расхождению хромосом к полюсам на стадии анафазы, способствуя таким образом удвоению их числа в ядре: см. рис.

Воздействию колхицином подвергают апикальные меристемы, что позволяет получать вполне плодовитые формы растений с удвоенным числом хромосом.

Полиплоидия имеет важное значение в эволюции культурных и дикорастущих растений (полагают, что около трети всех видов растений возникли за счёт П.), а также нек-рых групп животных (преим. партеногенетических). Полиплоиды часто характеризуются крупными размерами, повышенным содержанием ряда веществ, устойчивостью к неблагоприятным факторам внеш. среды и др. хозяйственно полезными признаками. Они представляют важный источник изменчивости и м. б. использованы как исходный материал для селекции (на основе П. созданы высокоурожайные сорта с.-х. растений, устойчивые к болезням). В широком смысле под термином «П.» понимают как кратное (эуплоидия), так и некратное (анеуплоидия) изменение числа хромосом в клетках организма.

· А́втополиплоиди́я - наследственное изменение, кратное увеличение числа наборов хромосом в клетках организма одного и того же биологического вида. На основе искусственной автополиплоидии синтезированы новые формы и сорта ржи, гречихи, сахарной свёклы и других растений.

Автополиплоид - это организм, возникший путем спонтанного или индуцированного прямого увеличения числа хромосом вдвое. Увеличение числа хром-ом в кл.автополиплоидов приводит к увеличению размеров ядра и кл. в целом. Это влечет за собой увеличение размеров устьиц, волосков, сосудов, цветков, листьев, пыльцевых зерен и т.д. Увеличение числа хро-ом связано с укрупнением всего растения в целом и отдельных его органов.

К физиологическим особенностям автополиплоидов следует отнести:

Замедление клеточного деления

Увеличение вегетационного периода

Низкое осмотическое давление

Понижение устойчивости к абиотическим факторам внешней среды и др.

Как правило, автополиплоиды отличаются пониженной плодовитостью (связано это с особенностями мейоза).

Наследование признаков у автополиплоидов и диплоидов так же отличается, так как в геноме первых каждый ген представлен в четырех дозах. Поэтому, например, гетерозиготный тетраплоид ААаа при полной доминантности образует следующие гаметы: 1АА+4Аа+1аа. Соотношение (число) гамет определенного типа зависит от вероятности конъюгации хро-м, несущих гены А и а:

Эти пять генотипов получили название:

- квадриплекс (АААА)

- триплекс (АААа)

- дуплекс (ААаа)

- симплекс (Аааа)

- нулиплекс (аааа)

Согласно дозе доминантных аллелей. В целом соотношение будет 35:1, в отличии от менделевского расщепления при моногибридном скрещивании у диплоидов, равного 3:1.

В дикой природе, а также в культуре, автополиплоиды изолированы от диплоидов барьером не скрещиваемости, определяемой обычно отсутствием нормального прорастания пыльцевых трубок на рыльце пестиков, нарушением развития зародыша и эндосперма.

Увеличение размеров растений, крупности цветков, семян и т.д. привело к использованию автополиплоидов в декоративном цветоводстве (сорта хризантем, астр и т.д.) и селекции полевых зерновых и кормовых культур.

· А́ллополиплоиди́я - кратное увеличение количества хромосом у гибридных организмов. Возникает при межвидовой и межродовой гибридизации.

Аллоплоид- это организм, возникший в результате объединения хромосомных наборов разных видов.

Один из первых таких гибридов был получен Г.Д. Карпеченко при скрещивании редьки с капустой. Оба вида имеют диплоидное число хро-м =18, и относятся к разным родам. Обычно получаемые растения стерильны, но в этом случае спонтанно объединились гаметы с нередуцированным числом хром-м, в результате чего было получено плодовитое растение с 2n=36 (18+18). Оно получило название редично-капустный гибрид.С открытием колхицина, получение подобных гибридов не предоставляет проблемы.

АНЕУПЛОИДИЯ.

Анеуплоид- это организм с увеличенным или уменьшенным, не кратным гаплоидному числом хром-м. наиболее часто встречаются следующие типы анеуплоидов:

Нуллисомики 2n-2

Моносомики 2n-1

Трисомики 2n+1

Тетрасомики 2n+2

Моносомики, у кот. Не хватает одной хром-мы (2n-1), и нуллисомики (2n-2) у большинства растений не выживают.

Нуллисомики получаются при самоопылении моносомиков. У этих растений отсутствуют оба гомолога определённой хромосомы.

У моносомиков понижена фертильность. Это объясняется тем, что мужские гаметы (n-1) практически не выживают, а из яйцеклеток выживает меньше половины.

Трисомики (2n+1), получают скрещивая триплоиды с диплоидами. При этом трисомики выживают и у растений с небольшим числом хром-м, тогда как моносомики у этих растений полностью не жизнеспособны.

Гаплоидия.

Гаплоид- организм, содержащий в соматических клетках полный для данного вида набор не гомологичных хром-м (n). По внешнему виду гаплоиды соответствуют диплоидным растениям, но значительно мельче, т.к. имеют мелкие клетки с небольшими ядрами.

№ 52 ОТДАЛЕННАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ.

Пло́идность - (от греч. -ploos - кратный и eidos - вид) - число наборов хромосом, находящихся в ядрах клеток организма.

Виды плоидности и терминология

• Гаплоидные клетки - содержат одинарный набор непарных хромосом (половые клетки, прокариоты).
• Диплоидные клетки - содержат парное количество хромосом. Большая часть организмов, размножающихся половым путём, диплоидны, т. е. содержат в соматических клетках тела по одному набору хромосом от каждой из гамет (гаплоидных половых клеток).
• Полиплоидные клетки - содержат более чем две пары хромосом (до двенадцати пар). В зависимости от того, сколько раз в ядре клетки повторяется гаплоидный набор, их соответственно называют три-, тетра-, гексаплоидными и т. д. Полиплоидия возникает вследствие нарушения хода митоза или мейоза (значительно реже) под воздействием мутагенов : при разрушении веретена деления удвоившиеся хромосомы не расходятся, а остаются внутри неразделившейся клетки (так возникают гаметы с двукратным числом хромосом - 2n). При слиянии такой гаметы с нормальной (n) потомок будет иметь тройной набор хромосом и т.д. Полиплоидия имеет две разновидности:
  • Автополиплоидия - результат кратного увеличения гаплоидного набора хромосом одного вида.
  • Аллополиплоидия - результат объединения наборов хромосом разных видов после образования межвидовых гибридов.
• Анеуплоидные клетки - непропорциональное (не кратное гаплоидному) удвоение или утрата отдельных хромосом. В зависимости от того, произошло уменьшение или увеличение хромосом, используют соответственно приставки гипо- и гипер-. Например, гипердиплоиды - трисомики (2n +1) и тетрасомики (2n + 2), гиподиплоиды - моносомики (2n - 1) и нуллисомики (2n - 2). Анеуплоидия как правило появляется из-за влияния мутагенов .

Иногда термин "плоидность" применяют не только к эукариотам , но и в отношении безядерных прокариотов , которые как правило гаплоидны, однако иногда встречаются диплоидные и полиплоидные бактерии.

Полиплоидию не следует путать с увеличением количества ядер в клетке и увеличением числа молекул ДНК (политенизацией) в хромососоме.

Гаплоидная и диплоидная фазы в жизненном цикле

У раздельнополых организмов в жизненном цикле происходит как правило нормальное чередование гаплоидной и диплоидной фаз. При мейозе образуются гаплоидные клетки в результате разделения диплоидной (у некоторых растений и грибов затем может происходить размножение путём митоза с образованием гаплоидного многоклеточного тела или нескольких поколений гаплоидных клеток-потомков). В результате полового процесса хромосомы двух гаплоидных клеток объединяются в одной диплоидной (зиготе), после чего могут размножаться при помощи митоза (у растений и животных) с образованием диплоидного многоклеточного тела или диплоидных клеток-потомков.

Полиплоидия у растений

Термин полиплоидия был предложен в 1916 году немецким ученым Винклером, изучавшим образцы аномальных (химерных) тканей у паслена.

Естественная полиплоидность в природе распространена достаточно широко. До 75% арктический флоры – полиплоиды, так же велик процент полиплоидов в пустынных и высокогорных регионах, где выживают растения, устойчивые к экстремальным условиям обитания.

Человеком полиплоидия используется издавна. Сначала просто размножали самые крупные экземпляры, дающие много зерна или же хорошие плоды. С развитием генетики выяснилось, что такие гиганты – отобранные природные полиплоиды. В настоящее время на основе искусственной автополиплоидии синтезированы высокоурожайные формы и сорта пшеницы, ржи, гречихи, кукурузы, картофеля, хлопчатника, сахарной свеклы, сахарного тростника и других культурных растений. Растения-полиплоиды как правило характеризуются более крупными размерами, повышенным содержанием ряда веществ, устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды, отличными от исходных форм сроками цветения и плодоношения. Искусственная полиплоидия вызывается ядами, разрушающими веретено деления, такими как алкалоид колхицин .

Аллополиплоидия (межвидовое скрещивание) обычно возникает от удвоения хромосом гибрида двух видов, что приводит к его плодовитости (амфиплоидия). Пример природной аллополиплоидии – алыча, гибрид терна и дикой сливы, полученный тысячелетия назад в результате естественной гибридизации. Искусственный гибрид получен в 1928 году русским цитогенетиком Карпеченко, который скрестил редьку с капустой. Полученый "амфидиплоид" получил научное название Paphanobrassica. У этого растения листья были как у редьки, а корни напоминали капустные. Хотя экономической ценностью полученный гибрид не обладает, зато позиционируется эволюционистами в качестве доказательства реальности биологической эволюции. В этом случае стоит отметить, что Paphanobrassica имела признаки обеих видов-прародителей, но не обладало принципиально новыми признаками, которые бы указывали на возможность прогрессивных макроэволюционных изменений.

Полиплоидия у животных

В животном мире полиплоиды встречаются среди нематод, аскарид, пиявок, земноводных. У многих млекопитающих полиплоидные клетки встречаются в отдельных органах (печень, и др.), но пример полной полиплоидии известен лишь один – южноамериканский грызун Tympanoctomys barrerae (вид, родственный морским свинкам и шиншиллам).

Нарушения плоидности у человека

У человека большая часть клеток диплоидны. Гаплоидны только зрелые половые клетки (гаметы). Другие варианты плоидности - несут лишь отрицательное воздействие.

Примеры анеуплоидии у человека: синдром Дауна (21-я хромосома представлена тремя копиями), синдром Кляйнфельтера - избыточная X хромосома (XXY), синдром Тернера - отсутствие одной из половых хромосом (X0). Описаны также примеры утроения X хромосомы и некоторые другие аномалии.

Примерами полиплоидии являются абортивные триплоидные зародыши и триплоидные новорождённые (срок их жизни при этом не превышает нескольких дней), а также диплоидно-триплоидные мозаики.

Полиплодия в теории креационизма

Казалось бы, примеры с удачными гибридами неоспоримо доказывают, что увеличение числа хромосом - путь к эволюционному прогрессу. Однако наблюдение полиплоидии в природе приводит к интересным, а иногда - и к противоположным выводам. В частности Кент Ховант в своих лекциях (1999 г.) любил приводить факты о количестве хромосом в соматических клетках разных организмов. Если бы количество хромосом имело смысл в эволюции, тогда по правилу элементарной логики, чем больше хромосом, тем дальше живое существо взобралось по древу эволюции. Но это не так.

Таким образом полиплоидия ещё ждёт своего научного осмысления.

Источники информации

• Большая советская энциклопедия, статьи «Автополиплоидия», «Полиплоидия».
• Мортон Дженкинс «101 ключевая идея: Эволюция», -М, ФАИР-ПРЕСС, 2001, стр.11-12,15-16 ISBN 5-8183-0354-3
• Фогель Ф., Мотульски А. "Генетика человека". В 3-х т., Москва, Мир, 1989.

Прочитав эту статью, вы узнаете, что такое полиплоидия. Мы рассмотрим, какую роль она играет. Вы также узнаете, какие бывают виды полиплоидии.

Образование полиплоидов

Прежде всего, расскажем о том, что подразумевается под этим загадочным словом. Клетки или особи, имеющие более двух наборов хромосом, называются полиплоидами. Полиплоидные клетки с небольшой частотой возникают в результате «ошибок» митоза. Это происходит, когда хромосомы делятся, а цитокинез не происходит. Таким образом могут образоваться клетки с удвоенным числом хромосом (диплоиды). Если они, пройдя через интерфазу, будут делиться, то смогут дать начало (половым или бесполым путем) новым особям, клетки которых будут иметь вдвое больше хромосом, чем у родителей. Соответственно, процесс их образования - вот что такое полиплоидия. Полиплоидные растения могут быть получены искусственно с помощью колхицина — алкалоида, подавляющего образование митотического веретена в результате нарушения образования микротрубочек.

Свойства полиплоидов

У этих растений изменчивость часто бывает значительно уже, чем у родственных диплоидов, поскольку каждый ген представлен у них по меньшей мере в удвоенном числе. При расщеплении в потомстве гомозиготные по какому-нибудь особи составят только 1/16 вместо 1/4 у диплоидов. (В обоих случаях принимается, что частота рецессивных аллелей равна 0,50.) Полиплоидам свойственно самоопыление, еще более снижающее их изменчивость, несмотря на то что родственные им диплоиды преимущественно опыляются перекрестно.

Где встречаются полиплоиды

Итак, мы ответили на вопрос, что такое полиплоидия. А где же встречаются такие растения?

Одни полиплоиды лучше приспособлены к сухим местам или более низким температурам, чем исходные диплоидные формы, в то время как другие лучше приспособлены к особым типам почв. Благодаря этому они могут заселять места с экстремальными условиями существования, в которых их диплоидные предки, скорее всего, погибли бы. С небольшой частотой они встречаются во многих естественных популяциях. Они легче, чем соответствующие им диплоиды, вступают в неродственные скрещивания. При этом сразу же могут получаться плодовитые гибриды. Реже полиплоиды гибридного происхождения образуются путем удвоения числа хромосом у стерильных диплоидных гибридов. Это один из путей восстановления плодовистости.

Первый документированный случай полиплоидии

Именно таким, менее обычным, путем образовались полиплоидные гибриды между редькой и капустой. Это был первый хорошо задокументированный случай полиплоидии. Оба рода принадлежат к семейству крестоцветных и находятся в близком родстве. В и того и другого вида находится 18 хромосом, и в первой метафазе мейоза всегда обнаруживается 9 пар хромосом. С некоторым трудом был получен гибрид между этими растениями. В мейозе он имел 18 непарных хромосом (9 от редьки и 9 от капусты) и был совершенно бесплоден. Среди этих гибридных растений спонтанно образовался полиплоид, у которого в соматических клетках было 36 хромосом и в процессе мейоза регулярно образовывались 18 пар. Иными словами, полиплоидный гибрид имел все 18 хромосом как редьки, так и капусты, и они функционировали нормально. Этот гибрид был довольно плодовитым.

Полиплоиды-сорняки

Некоторые полиплоиды возникали как сорняки в местах, связанных с деятельностью человека, и иногда они достигали удивительного процветания. Один из хорошо известных примеров — обитатели соленых болот из рода Spartina. Один из видов, S. maritima (на фото ниже), встречается на болотах вдоль берегов Европы и Африки. Другой вид, S. alterniflora, был завезен в Великобританию с востока Северной Америки около 1800 г. и впоследствии широко распространился, образовав крупные локальные колонии.

Пшеница

Одной из важнейших полиплоидных групп растений можно считать род Triticum пшеницы (на фото далее). Самая распространенная в мире хлебная культура — мягкая пшеница (Т. aestivum) — имеет 2n = 42. возникла как минимум 8000 лет назад, вероятно, в Центральной Европе, в результате естественной гибридизации возделываемой пшеницы, имеющей 2n = 28, с диким злаком того же рода, имеющим 2n = 14. Дикий злак, вероятно, рос как сорняк среди посевов пшеницы. Гибридизация, давшая начало мягкой пшенице, могла произойти между полиплоидами, появлявшимися время от времени в популяциях обоих родительских видов.

Вполне вероятно, что как только 42-хромосомная пшеница с ее полезными признаками появилась на полях первых земледельцев, они сразу ее заметили и отобрали для дальнейшего культивирования. Одна из ее родительских форм, 28-хромосомная возделываемая пшеница, произошла в результате гибридизации двух диких 14-хромосомных видов с Ближнего Востока. имеющие 2n = 28, и теперь продолжают возделываться наряду с 42-хромосомными. Такие 28-хромосомные пшеницы представляют собой главный источник зерна для производства макарон благодаря высокой клейкости их белка. Вот какую роль играет полиплоидия.

Triticosecale

Исследования последних лет показали, что новые линии, полученные с помощью гибридизации, могут улучшить сельскохозяйственное производство. Полиплоидия в селекции применяется очень широко. Особенно многообещающим является Triticosecale — группа созданных человеком гибридов между пшеницей (Triticum) и рожью (Secale). Некоторые из них, сочетающие урожайность пшеницы с неприхотливостью ржи, наиболее устойчивы к линейной ржавчине — болезни, наносящей большой ущерб сельскому хозяйству. Эти свойства особенно важны в высокогорных районах тропиков и субтропиков, где ржавчина — главный культивирование пшеницы. Triticosecale теперь выращивается в больших масштабах и получила широкую популярность во Франции и других странах. Наибольшую известность имеет 42-хромосомная линия этой зерновой культуры. Она была получена путем удвоения числа хромосом после гибридизации 28-хромосомной пшеницы с 14-хромосомной рожью.

Многообразие полиплоидов

В природе они отбираются под влиянием внешних условий, а не благодаря деятельности человека. Их возникновение — один из важнейших эволюционных механизмов. В наше время множество полиплоидов представлено в мировой флоре (более половины всех видов растений). Среди них многие из наиболее важных сельскохозяйственных культур — не только пшеница, но и хлопчатник, банан, картофель и подсолнечник. К этому перечню можно добавить большинство красивых садовых цветов — хризантемы, анютины глазки, георгины.

Теперь вы знаете, что такое полиплоидия. Ее роль в сельском хозяйстве, как вы видите, очень велика.