Генетика, 2020, T. 56, № 12, стр. 1366-1377

Морфологические генетические маркеры у растений

Ю. В. Чесноков 1*, В. М. Косолапов 2, И. В. Савченко 3

1 Агрофизический научно-исследовательский институт
195220 Санкт-Петербург, Россия

2 Федеральный научный центр кормопроизводства и агроэкологии им. В.Р. Вильямса
141055 Московская область, Лобня, Россия

3 Всероссийский научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений
117216 Москва, Россия

* E-mail: yuv_chesnokov@agrophys.ru

Поступила в редакцию 14.01.2020
После доработки 07.02.2020
Принята к публикации 19.02.2020

Аннотация

В обзоре рассматриваются вопросы возможного применения морфологических генетических маркеров у растений. Даются определения и терминология таких понятий как “маркер”, “фенотип”, “генотип”, “эпигенотип” и “генетический маркер”. Приводятся свойства и отличительные особенности генетических маркеров. Приводится описание некоторых мутантных маркерных форм и рассматривается целесообразность создания и применения коллекций мутантных маркерных форм для их практического использования в генетике и селекции сельскохозяйственных растений. Указывается, что главными источниками генотипической изменчивости, основой, отражением и проявлением которой служит полиморфизм, в том числе маркерный, проявляющийся не только на морфологическом, но и на биохимическом или молекулярном уровнях, являются мутации и рекомбинации. Отмечаются роль и значение первых фенотипических генетических маркеров, полученных у плодовой мушки Drosophila посредством методов экспериментального мутагенеза, что позволило Т. Моргану с коллегами установить точное месторасположение генов на группах сцепления и на основе этого составить первые генетические “карты” хромосом дрозофилы. Основные недостатки морфологических генетических маркеров связаны с тем, что они немногочисленны и подвержены влиянию факторов окружающей среды или зависят от стадии развития растения либо его органа или ткани, в которых они обнаружены. Кроме того, они не покрывают весь геном, а располагаются в определенных геномных локусах, в которых сосредоточены гены. Это означает, что использовать морфологические маркеры, не покрывающие весь геном, в целях геномного генотипирования или установления генетических дистанций в полной мере не представляется возможным. Однако несмотря на эти исключения, морфологические маркеры до сих пор остаются актуальным и весьма полезным научным инструментом в генетико-селекционной практике. Многие из этих маркеров генетически сцеплены с важными хозяйственно значимыми и агрономическими признаками, что позволяет значительно удешевить и упростить получение новых генетически- и селекционно-значимых форм. Отмечается, что проблема генетического анализа хозяйственно ценных признаков может быть полем деятельности для дальнейшей методической оптимизации и “наведения мостов” между классической и молекулярной генетикой и селекцией растений, а также другими биологическими дисциплинами.

Ключевые слова: морфология, фенотип, генетический маркер, терминология, маркерные формы у растений, маркер-вспомогательная селекция.

DOI: 10.31857/S0016675820120048

Список литературы

  1. Серебровский А.С. Генетический анализ. М.: Наука, 1970. 342 с.

  2. Серебровский А.С., Волкова К.В. Опыт анализа хромосомы двумя сигналями // Изв. АНСССР. Сер. биол. 1940. № 1. С. 109–115.

  3. RiegerR., Michaelis A., Green M.M. Glossary of Genetics: Classical and Molecular. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1991. 553 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-75333-6

  4. Глазко В.И., Глазко Г.В. Толковый словарь терминов по общей и молекулярной биологии, общей и прикладной генетике, селекции, ДНК-технологии и биоинформатике. В 2-х томах. М.: ИКЦ “Академ-книга”, 2008. 1201 с.

  5. Картель Н.А., Макеева Е.Н., Мезенко А.М. Генетика: энциклопедический словарь. Мінск: Беларуская навука, 2011. 992 с.

  6. Жученко А.А., Король А.Б. Рекомбинация в эволюции и селекции. М.: Наука, 1985. 400 с.

  7. Гершензон С.М. Основы современной генетики. Киев: Наук. думка, 1983. 560 с.

  8. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений (адаптация, рекомбиногенез, агробиоценоз). Кишинев: Штиинца, 1980. 588 с.

  9. Johannsen W. Elemente der exakten erblichkeitslehre. Jena: Fischer, 1909. 530 p.https://doi.org/10.5962/bhl.title.94247

  10. Valerik M., Bartos J., Kovarova P. et al. High resolution FISH of super-stretched flow-sorted plant chromosomes // Plant J. 2004. V. 37. P. 940–950. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2003.02010.x

  11. Harrison G.E., Heslop-Harrison J.S. Centromeric repetitive DNA sequences in the genus Brassica // Theor. Appl. Genet. 1995. V. 90. P. 157–165. https://doi.org/10.1007/BF00222197

  12. Fukui K., Nakayama S., Ohmido N. et al. Quantitative karyotyping of three diploid Brassica species by imaging methods and localization of 45 SrDNA loci on the identified chromosomes // Theor. Appl. Genet. 1998. V. 96. P. 325–330. https://doi.org/10.1007/s001220050744

  13. Snowdon R.J., Friedrich T., Friedt W., Kohler W. Identifying the chromosomes of the A- and C-genome diploid Brassica species B. rapa (syn. campestris) and B. oleracea in their amphidiploid B. napus // Theor. Appl. Genet. 2002. V. 104. P. 533–538. https://doi.org/10.1007/s00122-001-0787-y

  14. Alix K., Ryder C., Moore J. et al. The genomic organization of retrotransposons in Brassica oleracea // Plant Mol. Biol. 2005. V. 59. P. 839–851. https://doi.org/10.1007/s00299-013-1399-0

  15. Alix K., Joets J., Ryder C. et al. The CACTA transposon Bot1 played a major role in Brassica genome divergence and gene proliferation // Plant J. 2008. V. 56. P. 1030–1044. https://doi.org/10.1111/j.1365313X.2008.03660.x

  16. Sousa A., Fuchs J., Renner S.S. Molecular cytogenetics (FISH, GISH) of Coccinia grandis: a ca. 3 myr-old species of Cucurbitaceae with the largest Y/Autosome divergence in flowering plants // Cytogenet. Genome Res. 2013. V. 139. P. 107–118. https://doi.org/10.1159/000345370

  17. Tomas P.A., González G.E., Schrauf G.E., Poggio L. Chromosomal characterization in native populations of Elymus scabrifolius from Argentina through classical and molecular cytogenetics (FISH-GISH) // Genome. 2012. V. 55. P. 591–598. https://doi.org/10.1007/s11427-012-4348-1

  18. Waddington C.H. An Introduction to Modern Genetics. London: Allen & Unwin, 1939. 441 p.

  19. Waddington C.H. The epigenotype // Endeavour. 1942. V. 1. P. 18–20.

  20. Waddington C.H. Canalization of development and inheritance of acquired characters // Nature. 1942. V. 150. P. 563–565. https://doi.org/10.1038/150563a0

  21. Kalisz S., Purugganan M.D. Epialleles via DNA methylation: consequences for plant evolution // TRENDS in Ecology and Evolution. 2004. V. 19. P. 309–314. https://doi.org/10.1016/j.tree.2004.03.034

  22. Kimatu J.N., Bao L. Epigenetic polymorphisms could contribute to the genomic conflicts and gene flow barriers resulting to plant hybrid necrosis // African J. Biotechnol. 2010. V. 9. P. 8125–8133. https://doi.org/10.5897/AJB10.1043

  23. Zhang M., Kimatu J.N., Xu K., Bao L. DNA cytosine methylation in plant development // J. Genet. Genomics. 2010. V. 37. P. 1–12. https://doi.org/10.1016/S1673-8527(09)60020-5

  24. Séré D., Martin A. Epigenetic regulation: another layer in plant nutrition // Plant Signaling & Behavior. 2019. https://doi.org/10.1080/15592324.2019.1686236

  25. Cahn R.D. Factors affecting inheritance and expression of differentiation: Some methods of analysis // Results and Problems in Cell Differentiation / Eds Beerman W. et al. 1969. V. 1. P. 58.

  26. Чесноков Ю.В. Генетические маркеры: сравнительная классификация молекулярных маркеров // Овощи России. 2018. № 3. С. 11–15. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2018-3-11-15

  27. Чесноков Ю.В. Разновидности сцепления генетических маркеров с целевым геном и локусами хромосом // Агрофизика. 2018. № 2. С. 40–45. https://doi.org/10.25695/AGRPH.2018.02.06

  28. Чесноков Ю.В. Биохимические маркеры в генетических исследованиях культурных растений // С.-х. биология. 2019. Т. 54. № 5. С. 863–874. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2019.5.863rus

  29. Чесноков Ю.В., Косолапов В.М. Генетические ресурсы растений и ускорение селекционного процесса. М.: ООО “Угрешская типография”, 2016. 172 с.

  30. Чесноков Ю.В., Кочерина Н.В., Косолапов В.М. Молекулярные маркеры в популяционной генетике и селекции культурных растений. М.: ООО “Угрешская типография”, 2019. 200 c. https://doi.org/10.33814/monography_1614

  31. Morgan T.H. Sex-limited inheritance in Drosophila // Science. 1910. V. 32. P. 120–122. https://doi.org/10.1126/science.32.812.120

  32. Sturtevant A.H. The linear arrangement of six sex-linked factors in Drosophila, as shown by their mode of association // J. Experim. Zool. 1913. V. 14. P. 43–59. https://doi.org/10.1002/jez.1400140104

  33. Sax K. The association of size differences with seed-coat pattern and pigmentation in Phaseolus vulgaris // Genetics. 1923. V. 8. P. 552–560.

  34. Wexelsen H. Linkage between quantitative and qualitative characters in barley // Hereditas (Lund). 1933. V. 17. P. 323–341.

  35. Sturtevant A.H. Thomas Hunt Morgan // Biographical Memoir. Washington D.C.: Nat. Acad. Sci., 1959. P. 281–325.

  36. Жученко А.А. Генетика томатов. Кишинев: Штиинца, 1973. 661 с.

  37. Khush G.S. List of gene markers maintained in the Rice Genetic Stock Center, IRRI // Rice Genet. Newsletter. 1987. V. 4. P. 56–62.

  38. Saito T., Ariizumi T., Okabe Y. et al. TOMATOMA: a novel tomato mutant database distributing micro-tom mutant collections // Plant Cell Physiol. 2011. V. 52. P. 283–296. https://doi.org/10.1093/pcp/pcr004

  39. Neuffer M.G., Coe E.H., Wessler S. Mutants of Maize. N.Y.: Cold Spring Harbor Lab. Press, 1997. 468 p.

  40. Palmer R.G., Shoemaker R.C. Soybean genetics // Soybean Institute of Field and Vegetative Crops / Eds Hrustic M., Vidic M. and Jackovic D. Novi Sad, Yugoslavia, 1998. P. 45–82.

  41. Бочарникова Н.И. Мутантный генофонд томата и его использование в селекционно-генетических исследованиях // Информ. вестник ВОГиС. 2008. Т. 12. № 4. С. 644–653.

  42. Бочарникова Н.И. Генетическая коллекция мутантных форм томата и ее использование в селекционно-генетических исследованиях. ВНИИССОК. М.: Изд-во ВНИИССОК, 2011. 120 с.

  43. Smith L., Moseman A.H., Payne K.T., Weibel D.E. Linkage studies in einkorn // J. Amer. Soc. Agron. 1948. V. 40. P. 862–873.

  44. Гончаров Н.П., Шумный В.К. От сохранения генетических коллекций к созданию национальной системы хранения генофондов растений в вечной мерзлоте // Информ. вестник ВОГиС. 2008. Т. 12. № 4. С. 509–523.

  45. Winter P., Kahl G. Molecular marker technologies for plant improvement // World J. Microbiol. Biotechnol. 1995. V. 11. P. 438–448. https://doi.org/10.1007/BF00364619

  46. Weeden N., Timmerman G., Lu J. Identifying and mapping genes of economic significance // Euphytica. 1994. V. 73. P. 191–198. https://doi.org/10.1007/BF00027194

  47. Eagles H., Bariana H., Ogbonnaya F. et al. Implementation of markers in Australian wheat breeding // Aust. J. Agric. Res. 2001. V. 52. P. 1349–1356. https://doi.org/10.1071/AR01067

  48. Lindstrom E.W., Humphrey L.M. Comparative cytogenetic studies of tetraploid tomatoes from different origins // Proc. Intern. Cong. Genet. N.Y. 1932. V. 2. P. 118–119.

  49. McArthur J.W. Linkage groups in the tomato // J. Genet. 1934. V. 29. P. 123–133.

  50. Barton D.W. Comparative effects of X-ray and ultraviolet radiation on the differentiated chromosomes of the tomato // Cytologia. 1954. V. 19. P. 157–175. https://doi.org/10.1508/cytologia

  51. Stubbe H. Mutanten der Kulturtomate Lycopersicon esculentum Miller. IV // Kulturpflanze. 1963. V. XI. P. 603–644.

  52. Stubbe H. Mutanten der Kulturtomate Lycopersicon esculentum Miller. V // Kulturpflanze. 1964. V. XII. P. 121–152.

  53. Stubbe H. Mutanten der Wildtomate Lycopersicon pimpinellifolium (Jusl.) Mill. IV // Kulturpflanze. 1965. V. XIII. P. 517–544.

  54. Tanksley S.D., Mutschler M.A. Linkage map of the tomato (Lycopersicon esculentum) // Genetic Maps. 1989. P. 6.3–6.15.

  55. Бочарникова Н.И., Козлова В.М. Мутантные формы томатов (каталог). Кишинев: Штиинца, 1992. 64 с.

  56. Kocherina N.V., Artemyeva A.M., Chesnokov Yu.V. Use of LOD-score technology in mapping quantitative trait loci in plants // Rus. Agricultural Sci. 2011. V. 37. P. 201–204. https://doi.org/10.3103/S1068367411030098

  57. Soller M., Beckmann J.S. Genetic polymorphism in varietal identification and genetic improvement // Theor. Appl. Genet. 1983. V. 67. P. 25–33. https://doi.org/10.1007/BF00303917

  58. Young N.D. A cautiously optimistic vision for marker-assisted breeding // Mol. Breeding. 1999. V. 5. P. 505–510. https://doi.org/10.1023/A:1009684409326

  59. Dekkers J.C., Hospital F. The use of molecular genetics in the improvement of agricultural populations // Nat. Rev. Genet. 2002. V. 3. P. 22–32. https://doi.org/10.1038/nrg701

Дополнительные материалы отсутствуют.