Перспективы использования гаплоиндукторов в селекции кукурузы

Обнаружение спонтанно образовавшихся гаплоидных растениий и разработка способов получения их в культуре in vitro определили новое направление, важное для селекции и для теоретических исследований в области репродуктивной биологии. Частота спонтанной гаплоидии в посевах культурных растений крайне низка и составляет не более 0,01-0,1%, поэтому поиск источников и доноров, способных к стимулированию гаплоидии в гибридных комбинациях, весьма актуален. Расширение поиска новых доноров признака гаплоиндукции, создание новых, более эффективных гаплоиндукторов способствует накоплению генетических источников, характеризующихся высоким ресурсным потенциалом для селекционно-генетических исследований. Причины, способствующие стимулированию гаплоидии, еще недостаточно изучены. Есть сведения, что за этот процесс ответственны гены, локализованные в qhir1, qhir11, qhir12 районах хромосомы 1 кукурузы. Использование генов, стимулирующих гаплоиндукцию кукурузы в сочетании с маркерным геном антоциановой окраски зерновки и зародыша R1-nj, а также антоциановой окраски растения А1 и В1, позволило создать линии-гаплоиндукторы с частотой стимулирования гаплоидов до 15%. Фенотипическое проявление доминантных аллелей генов маркерной антоциановой окраски на различных частях гибридного растения, а также на зерновке и зародыше способствует качественному отбору гаплоидных зерновок на початке за счет проявления рецессивных аллелей этих генов на гаплоидном уровне. Наличие в кремнистой кукурузе генов подавителей синтеза антоцианов (C1- I, C2-Idf, In1-D) ограничивает использование гена R1-nj на других представителях подвида кремнистой кукурузы. Для преодоления данной проблемы ведутся исследования по созданию гаплоиндукторов, у которых маркерным признаком служит содержание масла в зерне или отсутствие лигулы на листьях. Использование матроклинного и андроклинного типов гаплоиндукции позволяет селекционерам получать в высокой степени гомозиготные дигаплоидные линии кукурузы как с материнским, так и с отцовским геномом. Благодаря этим достижениям стало возможным сокращение материальных и временных затрат на создание инбредных линий и их стерильных аналогов в 5 и более раз, ускорилась селекционная работа по созданию новых гибридов кукурузы, значительно улучшилось качество семеноводческой продукции, ее типичность и однородность. Приведенные в статье материалы помогут селекционерам и генетикам лучше ориентироваться в инновационных направлениях и проблемах селекции гибридной кукурузы.

1. Астауров Б.Л. Генетика пола. В кн.: Актуальные вопросы современной генетики / под ред. и с предисл. С.И. Алиханяна. Москва: Изд-во Изд-во Моск. ун-та; 1966.

2. Астауров Б.Л. Партеногенез, андрогенез, полиплоидия. Москва: Наука; 1977.

3. Barclay I.R. High frequencies of haploid production in wheat (Triticum aestivum) by chromosome elimination. Nature. 1975;256:410-411. DOI: 10.1038/256410a0

4. Barret P., Brinkmann M., Beckert M. A major locus expressed in the male gametophyte with incomplete penetrance is responsible for in situ gynogenesis in maize. Theoretical and Applied Genetics. 2008;117(4):581-594. DOI: 10.1007/s00122-008-0803-6

5. Blakeslee A.F., Belling J., Farnham M.E., Bergner A.D. A haploid mutant in the Jimson weed, “Datura stramonium”. Science. 1922;55(1433):646-647. DOI:10.1126/science.55.1433.646

6. Chang M.T., Coe E.H. Doubled haploids. In: A.L. Kriz, B.A. Larkins (eds). Biotechnology in Agriculture and Forestry. Vol. 63. Molecular Genetic Approaches to Maize Improvement. Springer-Verlag Berlin Heidelberg; 2009. p.127-142.

7. Chase S.S. Monoploid frequencies in a commercial double cross hybrid maize and in its component single cross hybrids and inbred lines. Genetics. 1949;34(3):328-332.

8. Chase S.S. Monoploids in maize. Ames (Iowa): Iowa State College Press; 1952. p.389-399.

9. Chase S.S. Monoploids and monoploid-derivatives in maize (Zea mays L.). The Botanical Reviews. 1969;35:117-167. DOI: 10.1007/BF02858912

10. Chebotar O.D., Chalyk S.T. The use of maternal haploids for genetic analysis of the number of kernel rows per ear in maize. Hereditas. 1996;124(2):173-178. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1996.00173.x

11. Chen S., Li L., Li H. Maize doubled haploid breeding [in Chinese]. Beijing: China Agricultural University Press; 2009.

12. Чумак М.В. Экспериментальная гаплоидия у кукурузы : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Ленинград; 1977.

13. Coe E.H. A line of maize with high haploid frequency. The American Naturalist. 1959;93(873):381-382.

14. Coe E.H. Anthocyanin genetics. In: M. Freeling, V. Walbot (eds). The maize handbook. New York: Springer-Verlag; 1994. p.279-281.

15. Coe E.H., Sarkar K.R. The detection of haploids in maize. Journal of Heredity. 1964;55(5): 231-233. DOI: 10.1093/oxfordjournals.jhered.a107340

16. Darevsky I.S., Kupriyanova L.A., Uzzell T. Parthenogenesis in reptiles. Biology of the Reptilia. 1985;15:412-526.

17. Datta S.K., Wenzel G. Isolated microspore derived plant formation via embryogenesis in Triticum aestivum L. Plant Science. 1987;48(1):49-54. DOI: 10.1016/0168-9452(87)90069-07

18. Devaux P. The Hordeum bulbosum (L.) method. In: Doubled haploid production in crop plants. A manual; 2003. p.15-19.

19. Eder J, Chalyk S.T. In vivo haploid induction in maize. Theoretical and Applied Genetics. 2002;104:7037-08. DOI: 10.1007/s00122-001-0773-4

20. Enaleeva N., Otkalo O., Tyrnov V. Cytological expression of ig mutant in megagametophyte. Maize Genetics Cooperation Newsletter. 1995;69:121.

21. Enaleeva N.Kh., Tyrnov V.S. Cytological manifestation of apomixis in AT-1 plants of corn. Maize Genetics Cooperation Newsletter. 1997;71:74.

22. Forster B.P., Thomas W.T.B. Doubled haploids in genetics and plant breeding. Plant Breeding Reviews. 2005;25:57-88. DOI: 10.1002/9780470650301.ch3

23. Geiger H.H., Gordillo G.A. Doubled haploids in hybrid maize breeding. Maydica. 2009;54(4):485-499.

24. Голубовский М.Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. Санкт-Петербург: Борей Арт; 2000.

25. Greenblatt I.M., Bock M. A commercially desirable procedure for detection of monoploids in maize. Journal of Heredity. 1967;58(1):9-13. DOI: 10.1093/oxfordjournals.jhered.a107543

26. Guha S., Maheshwari S. In vitro production of embryos from anther of Datura. Nature. 1964;204(4957):497. DOI: 10.1038/204497a0

27. Гуторова О.В., Апанасова Н.В., Юдакова О.И. Создание генетически маркированных линий кукурузы с наследуемым и индуцированным типами партеногенеза. Известия Самарского научного центра РАН. 2016;18(2):341-344.

28. Hayes P., Corey A., DeNoma J. Doubled haploid production in barley using the Hordeum bulbosum (L.) technique. In: M. Maluszynski , K.J. Kasha , B.P. Forster , I. Szarejko (eds). Doubled haploid production in crop plants. A manual. Springer Science+Business Media New York; 2003. p.5-14. DOI: 10.1007/978-94-017-1293-4

29. Heckenberger M., Muminovic J., Rouppe van der Voort J., Peleman J., Bohn M., Melchinger A.E. Identification of essentially derived varieties obtained from biparental crosses of homozygous lines: I. Simple sequence repeat data from maize inbreds. Crop Science. 2005;45:1120-1131. DOI: 10.1007/s11032-005-3851-5

30. Hu H., Schrag T.A., Peis R., Unterseer S., Schipprack W., Chen Sh., Lai J., Yan J., Prasanna B.M., Nair S.K., Chaikam V., Rotarenco V., Shatskaya O.A., Zavalishina A., Scholten S., Schön Ch.-C., Melchinger A.E. The genetic basis of haploid induction in maize identified with a novel genome-wide association method. Genetics. 2016;202(4):1267-1276. DOI: 10.1534/genetics.115.184234

31. Inagaki M.N., Tahir M. Comparison of haploid production frequencies in wheat varieties crossed with Hordeum bulbosum L. and maize. Japanese Journal of Breeding. 1990;40(2):209-216. DOI: 10.1270/jsbbs1951.40.209

32. Kasha K.J., Kao K.N. High frequency haploid production in barley (Hordeum vulgare L.). Nature. 1970;225:874-876. DOI: 10.1038/225874a0

33. Хохлов С.С. Гаплоидия и селекция. Москва: Наука; 1976.

34. Кириллова Г.А. Явление гаплоидии у покрытосеменных растений. Генетика. 1966;2:137-147.

35. Kebede A.Z., Dhillon B.S., Schipprack W., Araus J.L., Banziger M., Semagan K., Alvarado G., Melchinger A.E. Effect of source germplasm and season on the in vivo haploid induction rate in tropical maize. Euphytica. 2011;180(2):219-226. DOI: 10.1007/s10681-011-0376-3

36. Kimber G., Riley R. Haploid angiosperms. The Botanical Review. 1963;29(4):480-531. DOI: 10.1007/BF02860814

37. Lashermes P., Beckert M. Genetic control of maternal haploidy in maize (Zea mays L.) and selection of haploid inducing lines. Theoretical and Applied Genetics. 1988;76:404-410. DOI: 10.1007/BF00265341

38. Laurie D.A., Bennett M.D. Wheat × maize hybridization. Canandian Journal of Genetics and Cytology. 1986;28(2):313-316. DOI: 10.1139/g86-046

39. Li L, Xu X., Jin W., Chen S. Morphological and molecular evidences for DNA introgression in haploid induction via a high oil inducer CAUHOI in maize. Planta. 2009;230(2):367-376. DOI: 10.1007/s00425-009-0943-1

40. Lin B-Y. Structural modification of the female gametophyte associated with the indeterminate gametophyte (ig) mutant in maize. Canadian Journal of Genetics and Cytology. 1978;20(2):249-257. DOI: 10.1139/g78-028

41. Magoon М.L., Khanna K.R. Haploids. Caryologia. 1963;16(1):191-255. DOI: 10.1080/00087114.1963.10796097

42. Mamontova E.M., Velikov V.A., Volokhina I.V., Chumakov M.I. Agrobacterium-mediated in planta transformation of maize germ cells. Russian Journal of Genetics. 2010;46(4):501-504.

43. Mayor P.J., Bernardo R. Doubled haploids in commercial maize breeding: One-stage and two-stage selection versus marker assisted recurrent selection. Maydica. 2009;54(4):439-448.

44. Mejza S.J., Morgant V., DiBona D.E., Wong J.R. Plant regeneration from isolated microspores of Triticum aestivum. Plant Cell Reports. 1993;12(3):149-153. DOI: 10.1007/BF00239096

45. Мишуткина Я.В., Нескородов Я.Б., Новокрещенова М.Г., Малахо С.Г., Тураев А.М. Удвоенные гаплоиды ячменя и их использование в генетико-селекционных исследованиях. Современные проблемы науки и образования. 2013;5:476. URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10252 [дата обращения: 30.09.2020]).

46. Nakata K., Tanaka M. Differentiation of embryoids from developing germ cells in anther culture of tobacco. The Japanese Journal of Genetics. 1968;43(1):65-71. DOI: 10.1266/jjg.43.65

47. Nanda D.K, Chase S.S. An embryo marker for detecting monoploids of maize (Zea mays L.). Crop Science. 1966;6(2):213-215. DOI: 10.2135/cropsci1966.0011183X000600020036x

48. Nistch J.P. Experimental androgenesis in Nicotiana. Phytomorphology. 1969;19:389-404.

49. Niizeki H., Oono K. Induction of haploid rice plant from anther culture. Proceedings of the Japan Academy. 1968;44:554-557. DOI: 10.2183/pjab1945.44.554

50. Ouyang Y.W., Hu C.C., Chuang C.C., Tseng C.C. Induction of pollen plants from anthers of Triticum aestivum L. cultured in vitro. Scientia Sinica. 1973;16(1):79-95. DOI: 10.1360/ya1973-16-1-79

51. Picard E., Buyser J.D. Obtention de plantlets haploides de Triticum aestivum L. a partir de cultures d’antheres in vitro. Comptes Rendus de l’Academie des Sciences, 1973;277:1463-1466. [in French]

52. Prasanna B.M., Chaikam V., Mahuku G. Doubled haploid technology in maize breeding: Theory and practice. Mexico: CIMMYT, DF; 2012.

53. Prigge V., Sanchez C., Dhillon B.S., Schipprack W., Araus J.L, Banziger M., Melchinger A.E. Doubled haploids in tropical maize: I. Effects of inducers and source germplasm on in vivo haploid induction rates. Crop Science. 2011;51:1498-1506. DOI: 10.2135/cropsci2010.10.0568

54. Rotarenco V.A., Kirtoca I.H., Jacota A.G. Possibility to identify kernels with haploid embryo by oil content. Maize Genetics Cooperation Newsletter. 2007;81:11.

55. Rotarenco V., Dicu G., State D., Fuia S. New inducers of maternal haploids in maize. Maize Genetics Cooperation Newsletter. 2010;84:21-22.

56. Röber F.K, Gordillo G.A, Geiger H.H. In vivo haploid induction in maize – performance of new inducers and significance of doubled haploid lines in hybrid breeding. Maydica. 2005;50(3-4):275-283.

57. Шацкая О.А. Результаты использования метода гаплоидии в селекции кукурузы. Кукуруза и сорго. 2001;4:14-17.

58. Шацкая О.А. Повышение частоты индукции матроклинных гаплоидов кукурузы при индивидуальном отборе опылителей в растениеводстве. В кн.: Сборник научных трудов, посвященный 90-летию КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко. Краснодар; 2004. С.322-331.

59. Шацкая О.А. Создание гаплоиндукторов кукурузы: три цикла отбора на высокую частоту индукции матроклинных гаплоидов. Сельскохозяйственная биология. 2010a;45(5):79-86.

60. Shatskaya O.A. Haploinductors isolation in maize: three cycles of selection on high frequency of induction of matroclinal haploids. Sel’skokhozyaistvennaya biologiya (Agricultural biology) 2010b;45(5):79-86 URL: https://cyberleninka.ru/article/n/haploinductors-isolation-in-maize-three-cycles-of-selection-on-high-fre-quency-of-induction-of-matroclinal-haploids/viewer [дата обращения 06.04.2020])

61. Шацкая О.А., Щербак В.С. Использование модифицированной ig-системы для создания новых форм кукурузы с повышенным андрогенезом. В кн.: Генетика, селекция и технология возделывания кукурузы Юбилейный выпуск, посвященный 100-летию со дня рождения академика М.И. Хаджинова. Краснодар; 1999. С.211-218.

62. Shatskaya O.A, Zabirova E.R, Shcherbak V.S, Chumak M.V. Mass induction of maternal haploids. Maize Genetics Cooperation Newsletter. 1994;68:51.

63. Schmidt W. Hybridmaiszüchtung bei der KWS SAAT AG. In: Bericht über die 54. Tagung der Vereinigung der Pflanzenzüchter und Saatgutkaufleute Österreichs 2003, Gumpenstein, Austria; 2004. p.1-6. [in German]

64. Seitz G. The use of doubled haploids in corn breeding. In: Proc. 41 st Annual Illinois Corn Breeders’ School; 2005; Urbana-Champaign, Illinois, USA; 2005. p.1-7.

65. Струнников В.А. Клонирование животных: теория и практика. Природа. 1998;7:3-9.

66. Tuvesson I.K.D., Öhlund R.C.V. Plant regeneration through culture of isolated microspores of Triticum aestivum L. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 1993;34:163-167. DOI: 10.1007/BF00036097

67. Тырнов В.С. Автономное развитие зародыша и эндосперма у кукурузы. Доклады АН СССР. 1983;272(3):722-725.

68. Тырнов В.С., Хохлов С.С. Андрогенез у покрытосеменных растений. Генетика. 1974;10(9):154-167.

69. Тырнов В.С., Хохлов С.С. Андрогенез. В кн.: Гаплоидия и селекция. Москва; 1976. С.87-99.

70. Тырнов В.С., Завалишина А.Н. Индукция высокой частоты возникновения матроклинных гаплоидов у кукурузы. Доклады АН СССР. 1984;276(3):735-738.

71. Wei Z.M. Pollen callus culture in Triticum aestivum. Theoretical and Applied. Genetics. 1982;67:71-73.

72. Wijnker E., Vogelaar A., Dirks R., van Dun K., de Snoo B., van den Berg M., Lelivelt C., de Jong H., Chunting L. Reverse breeding: reproduction of F 1 hybrids by RNAi-induced asynaptic meiosis. Chromosome Research. 2007;15:87-88. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2009.00450.x

73. Вильсон Э.Б. Клетка и ее роль в развитии и наследственности. Т. 1. Москва ; Ленинград; 1936.

74. Забирова Э.Р., Чумак М.В., Шацкая О.А., Щербак В.С. Технология массового ускоренного получения гомозиготных линий кукурузы. Кукуруза и сорго. 1996;4:17-19.

75. Zhang Z., Qiu F., Lui Y., Ma K., Li Z., Xu S. Chromosome elimination and vivo haploid production induced by Stock 6-derived inducer line in maize (Zea mays L.). Plant Cell Reports. 2008;27:1851-1860. DOI: 10.1007/s00299-008-0601-2