Podwojona haploidia - Doubled haploidy

Podwojonych haploidów (DH) jest utworzony, gdy genotyp haploidalne komórki poddane podwojenie chromosomów. Sztuczna produkcja podwójnych haploidów jest ważna w hodowli roślin .

Komórki haploidalne są produkowane z pyłku lub komórek jajowych lub z innych komórek gametofitu , a następnie przez indukowane lub spontaniczne podwojenie chromosomu powstaje podwojona komórka haploidalna, z której można wyhodować podwójną roślinę haploidalną. Jeśli pierwotna roślina była diploidalna , komórki haploidalne są monoploidalne , a termin podwojony monoploid może być używany dla podwojonych haploidów. Organizmy haploidalne pochodzące z tetraploidów lub heksaploidów są czasami nazywane dihaploidami (a podwojone dihaploidy to odpowiednio tetraploid lub heksaploid).

Konwencjonalne procedury chowu wsobnego wymagają sześciu pokoleń, aby osiągnąć w przybliżeniu całkowitą homozygotyczność , podczas gdy podwojona haploidia osiąga ją w jednym pokoleniu. Dihaploidalne rośliny pochodzące z tetraploidalnych roślin uprawnych mogą być ważne dla programów hodowlanych, w których biorą udział diploidalne dzikie pokrewne upraw.

Historia

Pierwszy raport o haploidalnej roślinie został opublikowany przez Blakeslee et al. (1922) w Datura stramonium . Następnie haploidy stwierdzono u wielu innych gatunków. Guha i Maheshwari (1964) opracowali technikę hodowli pylników do produkcji haploidów w laboratorium. Wytwarzanie haploidów przez krzyżowanie szerokie stwierdzono w jęczmieniu (Kasha i Kao, 1970) i tytoniu (Burk i in. , 1979). Tytoń, rzepak i jęczmień są gatunkami najbardziej wrażliwymi na podwojenie produkcji haploidów. Podwojone metodologie haploidalne zostały teraz zastosowane do ponad 250 gatunków.

Produkcja podwojonych haploidów

Podwojone haploidy można wytwarzać in vivo lub in vitro . Zarodki haploidalne powstają in vivo w wyniku partenogenezy , pseudogamii lub eliminacji chromosomów po szerokim skrzyżowaniu. Haploidalny zarodek zostaje uratowany, wyhodowany, a podwojenie chromosomów prowadzi do podwojenia haploidów. Do badań in vitro metody obejmują gynogeneza ( jajnik kultury i kwiatach) i androgenezy (pylników i mikrospor kultury). Preferowaną metodą jest androgeneza. Inną metodą tworzenia haploidów jest szerokie krzyżowanie. U jęczmienia haploidy można wytworzyć przez szerokie krzyżowanie z pokrewnym gatunkiem Hordeum bulbosum ; wpływa na zapłodnienie, ale we wczesnych stadiach rozwoju nasion chromosomy H. bulbosum są eliminowane, pozostawiając haploidalny zarodek. W tytoniu ( Nicotiana tabacum ) szeroko stosuje się szerokie skrzyżowanie z Nicotiana africana . Gdy do zapylania N. tabacum stosuje się N. africana, przeżywa 0,25 do 1,42 procent potomstwa i można je łatwo zidentyfikować jako hybrydy F1 lub haploidy matczyne. Chociaż te wartości procentowe wydają się niewielkie, ogromny plon drobnych nasion i wczesna śmierć większości sadzonek zapewnia znaczną liczbę zdolnych do życia hybryd i haploidów w stosunkowo małych pojemnikach na glebę. Ta metoda międzygatunkowego zapylania służy jako praktyczny sposób wytwarzania haploidów N. tabacum pochodzących z nasion , jako metoda alternatywna lub uzupełniająca w stosunku do pylników.

Genetyka populacji DH

W metodzie DH dla pary alleli A i a występują tylko dwa typy genotypów z częstością ½ AA i ½ aa, natomiast w metodzie diploidalnej trzy genotypy występują z częstością ¼ AA, ½ Aa, ¼ aa. Zatem jeśli AA jest pożądanym genotypem, prawdopodobieństwo uzyskania tego genotypu jest większe w metodzie haploidalnej niż w metodzie diploidalnej. Jeśli n loci jest segregujących, prawdopodobieństwo uzyskania pożądanego genotypu wynosi (1/2) n metodą haploidalną i (1/4) n metodą diploidalną. Stąd skuteczność metody haploidalnej jest wysoka, gdy liczba danych genów jest duża.

Przeprowadzono badania porównujące metodę DH z innymi konwencjonalnymi metodami hodowlanymi i stwierdzono, że przyjęcie podwojonej haploidii nie prowadzi do uprzedzeń genotypów w populacjach, a przypadkowe DH okazały się nawet zgodne z wybraną linią produkowaną konwencjonalną metodą rodowodową.

Zastosowania hodowli roślin DHs

Mapowanie loci cech ilościowych

Większość cech ekonomicznych jest kontrolowana przez geny o niewielkich, ale kumulujących się efektach. Chociaż potencjał populacji DH w genetyce ilościowej był rozumiany już od jakiegoś czasu, to pojawienie się map markerów molekularnych dało impuls do ich wykorzystania w identyfikacji loci kontrolujących cechy ilościowe. Ponieważ efekty ilościowe loci cech (QTL) są niewielkie i silnie zależne od czynników środowiskowych, potrzebne jest dokładne fenotypowanie z powtórzonymi próbami. Jest to możliwe w przypadku podwojonych organizmów haploidalnych ze względu na ich prawdziwy charakter rozmnażania i dlatego, że można je wygodnie produkować w dużych ilościach. Wykorzystując populacje DH, zmapowano 130 cech ilościowych u dziewięciu gatunków roślin uprawnych. W sumie do wykrywania QTL wykorzystano 56 populacji DH.

Hodowla krzyżowania wstecznego

Podczas konwersji wstecznej geny ulegają introgresji z odmiany dawcy lub gatunku pokrewnego do elitarnej linii biorcy poprzez wielokrotne krzyżowanie wsteczne . Problemem w tej procedurze jest możliwość zidentyfikowania linii niosących interesującą cechę w każdym pokoleniu. Problem jest szczególnie dotkliwy, jeśli interesująca nas cecha jest recesywna, ponieważ będzie występować tylko w stanie heterozygotycznym po każdym krzyżowaniu wstecznym. Opracowanie markerów molekularnych zapewnia łatwiejszą metodę selekcji opartą na genotypie (markerze), a nie na fenotypie. W połączeniu z podwójną haploidią staje się bardziej efektywny. W konwersji wstecznej wspomaganej markerem, rodzic-biorca krzyżuje się z linią dawcy, a hybrydę (F1) krzyżuje się wstecznie z biorcą. Powstałe pokolenie (BC1) krzyżuje się wstecznie, a proces powtarza aż do wytworzenia pożądanych genotypów. Połączenie podwojonej haploidii i markera molekularnego zapewnia skrót. W samym pokoleniu krzyżowania wstecznego można wybrać genotyp o interesującym charakterze i przekształcić go w homozygotyczny genotyp podwójnie haploidalny. Chen i in. (1994) zastosowali konwersję krzyżowania wstecznego wspomaganą markerem z podwojoną haploidią osobników BC1, aby wybrać prążkowane linie odporne na rdzę w jęczmieniu.

Zbiorcza analiza segregacyjna (BSA)

W zbiorczej analizie segregacyjnej populacja jest przeszukiwana pod kątem interesującej cechy, a genotypy na dwóch skrajnych końcach tworzą dwie masy. Następnie obie masy są testowane na obecność lub nieobecność markerów molekularnych. Ponieważ masy mają kontrastować w allelach, które przyczyniają się do pozytywnych i negatywnych skutków, jakikolwiek polimorfizm markera między dwiema masami wskazuje na powiązanie między markerem a interesującą cechą. BSA jest zależne od dokładnego fenotypowania, a populacja DH ma szczególną zaletę, ponieważ jest to prawdziwa hodowla i może być wielokrotnie testowana. Populacje DH są powszechnie stosowane w zbiorczej analizie segregacyjnej, która jest popularną metodą w hodowli wspomaganej markerami. Metodę tę zastosowano głównie w przypadku rzepaku i jęczmienia.

Mapy genetyczne

Mapy genetyczne są bardzo ważne, aby zrozumieć strukturę i organizację genomów, z których można wywnioskować wzorce ewolucji i związki synteniczne między gatunkami. Mapy genetyczne zapewniają również ramy do mapowania interesujących nas genów i szacowania wielkości ich skutków, a także pomagają w zrozumieniu powiązań między genotypem a fenotypem. Populacje DH stały się standardowymi zasobami w mapowaniu genetycznym gatunków, u których DH są łatwo dostępne. Podwojone populacje haploidów są idealne do mapowania genetycznego. Możliwe jest stworzenie mapy genetycznej w ciągu dwóch lat od początkowej krzyżówki, niezależnie od gatunku. Tworzenie mapy jest stosunkowo łatwe przy użyciu populacji DH pochodzącej z hybrydy dwóch homozygotycznych rodziców, ponieważ oczekiwany współczynnik segregacji jest prosty, tj. 1: 1. Populacje DH są obecnie wykorzystywane do tworzenia map genetycznych jęczmienia, rzepaku, ryżu, pszenicy i pieprzu. Populacje DH odegrały główną rolę w ułatwieniu tworzenia map markerów molekularnych u ośmiu gatunków roślin uprawnych.

Badania genetyczne

Współczynniki genetyczne i wskaźniki mutacji można odczytać bezpośrednio z populacji haploidów. Wykorzystano małą, podwojoną populację haploidów (DH), aby wykazać, że karłowaty gen w jęczmieniu jest zlokalizowany na chromosomie 5H. W innym badaniu analizowano segregację szeregu markerów w jęczmieniu.

Genomika

Chociaż analiza QTL wygenerowała ogromną ilość informacji na temat lokalizacji genów i skali wpływu na wiele cech, identyfikacja zaangażowanych genów pozostaje nieuchwytna. Wynika to ze słabej rozdzielczości analizy QTL. Rozwiązaniem tego problemu byłaby produkcja rekombinowanej linii substytucji chromosomów lub schodkowo wyrównanych rekombinowanych linii wsobnych. W tym przypadku krzyżowanie wsteczne przeprowadza się do momentu wystąpienia pożądanego poziomu rekombinacji i stosuje się markery genetyczne do wykrywania żądanych rekombinowanych linii substytucyjnych chromosomu w regionie docelowym, które można utrwalić za pomocą podwojonej haploidii. W przypadku ryżu stwierdzono, że markery molekularne są połączone z głównymi genami i QTL w celu uzyskania odporności na zarazę ryżu, zarazę bakteryjną i zarazę osłonkową na mapie utworzonej z populacji DH.

Elitarne przejście

Tradycyjne metody hodowli są powolne, a rozwój odmiany zajmuje 10–15 lat. Inną wadą jest nieskuteczność selekcji we wczesnych pokoleniach z powodu heterozygotyczności . Te dwie wady mogą zostać przezwyciężone przez DH, a bardziej elitarne krzyżówki mogą zostać ocenione i wybrane w krótszym czasie.

Rozwój odmian

Jednorodność jest ogólnym wymogiem dla linii uprawnej u większości gatunków, który można łatwo uzyskać dzięki produkcji DH. Istnieje wiele sposobów wykorzystania DH w produkcji odmian. Same linie DH mogą być wypuszczane jako odmiany, mogą być używane jako rodzice w produkcji odmian hybrydowych lub bardziej pośrednio w tworzeniu linii hodowlanych i ochronie plazmy zarodkowej. Jęczmień ma ponad 100 odmian bezpośrednich DH. Według opublikowanych informacji na całym świecie istnieje obecnie około 300 odmian pochodzących od DH w 12 gatunkach.

Znaczenie DH w hodowli roślin znacznie wzrosło w ostatnich latach dzięki opracowaniu protokołów dla 25 gatunków. Podwojona haploidia już teraz odgrywa ważną rolę w produkcji odmian mieszańcowych warzyw, a potencjał produkcji ozdobnej jest intensywnie badany. W ziołach leczniczych Valeriana officinalis opracowuje się również DHs w celu wybrania linii o wysokiej aktywności farmakologicznej. Innym interesującym odkryciem jest to, że płodne homozygotyczne linie DH mogą być wytwarzane u gatunków, które mają systemy samozgodności.

Zalety DH

Zdolność do wytwarzania linii homozygotycznych po jednej rundzie rekombinacji oszczędza dużo czasu hodowcom roślin. Z badań wynika, że ​​przypadkowe DH są porównywalne z wybranymi liniami w chowie wsobnym rodowodowym. Inne zalety obejmują rozwój dużej liczby linii homozygotycznych, wydajną analizę genetyczną i rozwój markerów przydatnych cech w znacznie krótszym czasie. Bardziej szczegółowe korzyści obejmują możliwość rozmnażania nasion jako alternatywy dla rozmnażania wegetatywnego u roślin ozdobnych oraz u gatunków takich jak drzewa, w których długie cykle życiowe i depresja wsobna wykluczają tradycyjne metody hodowli, podwojona haploidia zapewnia nowe alternatywy.

Wady DH

Główną wadą populacji DH jest to, że nie można narzucić populacji selekcji. Ale w konwencjonalnej hodowli selekcję można praktykować przez kilka pokoleń: w ten sposób pożądane cechy można poprawić w populacji.

W haploidach wytwarzanych z kultur pylników obserwuje się, że niektóre rośliny są aneuploidami, a niektóre są mieszanymi typami haploidów i diploidów. Inną wadą związaną z podwójną haploidią są koszty związane z założeniem hodowli tkankowej i urządzeń do wzrostu. Nadmierne stosowanie podwojonej haploidii może zmniejszyć zmienność genetyczną w plazmie zarodkowej hodowlanej. Dlatego przed wdrożeniem podwójnej haploidii w programach hodowlanych należy wziąć pod uwagę kilka czynników.

Wnioski

Postęp technologiczny zapewnił protokoły DH dla większości rodzajów roślin. Liczba gatunków podatnych na podwojenie haploidii osiągnęła oszałamiającą liczbę 250 w ciągu zaledwie kilku dziesięcioleci. Skuteczność reakcji również poprawiła się wraz ze stopniowym usuwaniem gatunków z kategorii opornych. Dzięki temu zapewni większą efektywność hodowli roślin.

Poradniki

• Podwojone haploidy, aby ulepszyć pszenicę ozimą
• Wideo: Doubled Haploids: Prosta metoda poprawy wydajności hodowli kukurydzy.

Bibliografia