Полиплоидия - метод, виды, причины

Примеры в растениях

Пшеница в культурных растениях играет исключительно важную роль. Существует 14 видов пшеницы, которые эволюционировали путем аллополиплоидии, и они образуют три группы: одну из 14, другую из 28 и последнюю из 42 хромосом. В первую группу входят самые старые виды рода. Т. monococcum Y T. boeoticum.

Вторая группа состоит из 7 видов и, по-видимому, происходит от гибридизации T. boeoticum с видом дикорастущих трав другого рода, называемого Эгилопс. Скрещивание дает сильный стерильный гибрид, который в результате дупликации хромосом может привести к фертильному аллотетраплоиду.

Третья группа из 42 хромосом — это хлебная пшеница, которая, вероятно, возникла в результате гибридизации тертраплоидного вида с другим видом Эгилопс с последующим удвоением хромосомного набора.

Полиплоидия — (от греч. polyploos — многократный и eidos — вид) , изменчивость, связанная с кратным увеличением числа наборов хромосом в клетках растений или (значительно реже) животных. Термин был предложен в 1916 году немецким ученым Винклером, изучавшим образцы аномальных (химерных) тканей у паслена.

Соматические клетки растений и животных содержат диплоидное, или двойное (2n), число хромосом, половые клетки (гаметы) — уменьшенное вдвое, или гаплоидное (n), число хромосом. При полиплоидии наблюдаются отклонения от диплоидного числа хромосом в соматических клетках и от гаплоидного — в половых; могут возникать клетки, в которых каждая хромосома представлена трижды (Зn — триплоиды) , четырежды (4n — тетраплоиды) , пять раз (5n — пентаплоиды) и т. д. Полиплоидия возникает в результате нарушения расхождения хромосом в процессе деления клеток в фазе митоза или мейоза (значительно реже) под действием физических и химических факторов.

Природная полиплоидность достаточно широко распространена в растительном мире. До 75% арктический флоры – полиплоиды, так же велик процент полиплоидов в пустынных и высокогорных регионах. Т. е. полиплоидия напрямую коррелирует с устойчивостью растений к экстремальным условиям обитания.

Под термином полиплоидия объединяют несколько типов мутаций. Мы назовем лишь 3 из них:

Автополиплоидия — результат кратного увеличения гаплоидного набора хромосом одного вида.

Аллополиплоидия — результат объединения наборов хромосом разных видов после образования межвидовых гибридов.

Анеуплоидия — увеличение или уменьшение числа хромосом основного набора, не кратное гаплоидному. В зависимости от того, произошло уменьшение или увеличение используют соответственно приставки гипо- и гипер-. Например, гипердиплоиды — трисомики (2n +1) и тетрасомики (2n + 2), гиподиплоиды — моносомики (2n — 1) и нуллисомики (2n — 2). Пример анеуплоидии – болезнь Дауна у человека.

Человек давно использует полиплоидию для выведения высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений. Сначала это делалось бессознательно: просто размножали самые крупные экземпляры, дающие много зерна или же особенно крупные плоды. С появлением генетики выяснилось, что такие гиганты – природные полиплоиды и, следовательно, их отбор – это выделение полиплоидного сорта из предкового, диплоидного вида. Тогда полиплоиды стали размножать. В настоящее время большинство сельскохозяйственных культур – полиплоиды. Это пшеница, тритикале, кукуруза, картофель, хлопчатник, сахарный тростник, бессемянные арбузы и многие другие. Пример природной полиплоидии – алыча, гибрид терна и дикой сливы, полученный тысячелетия назад в результате естественной гибридизации.

Кофе пьете? Растения, дающие эти плоды — полиплоиды Цветок папоротника искали? Почти все папоротники полиплоиды.

Полиплоидия – это увеличение количества хромосомных наборов в клетках растений или животных, которое кратно одинарному числу хромосом.

Гаметы в основном гаплоидны (имеют один набор хроматид), соматические – диплоидны. Если клетки живого организма содержат больше 2 наборов хромосом, то его называют полиплоидом. Триплоиды включают 3 набора, тетраплоиды – 4, пентаплоиды – 5. Особи, с нечетным набором хромосом, не могут давать потомства. Это связано с тем, что их гаметы не имеют полного набора хромосом и не способны к делению.

Возникновение полиплоидии

Причиной возникновения является нерасхождение хромосом в мейозе. В таком случае у половой клетки оказывается полный набор соматической клетки. Если такая гамета сливается с обычной, то получается триплоидная зигота, дающая начало триплоиду. При условии, что две гаметы содержат диплоидный набор, их слияние ведет к образованию тетраплоида.

Также полиплоидные организмы могут появиться при неоконченном митозе. Так, если после удвоения клетки не происходит ее деления, то получается тетраплоид. Тетраплоидные зиготы являются предшественниками тетраплоидных побегов, причем в цветках будут формироваться диплоидные гаметы вместо гаплоидных. При самоопылении может образоваться тетраплоид, а при обычном опылении гаметой – триплоид. Если растение размножается вегетативным путем, то исходная плоидность сохраняется.В дикой природе полиплоидия широко распространена, однако представлена неравномерно среди различных сообществ растительных и животных организмов. Данная разновидность мутаций играет важную роль в эволюционных преобразованиях диких и культурных покрытосеменных растений, среди которых около 50% видов являются полиплоидами.

Так как полиплоидные растения характеризуются ценными хозяйственными свойствами, то искусственную полиплоидизацию используют в растениеводстве с целью получения селекционного материала. Для этого в селекции применяются особые мутагены, к примеру, колхицин, который нарушает расхождение хромосом в мейозе и митозе.

Примерно 80% существующих ныне сортов разных видов культурных растений являются полиплоидами. К ним относятся овощные и плодово-ягодные культуры, злаковые, цитрусовые, технические, декоративные и лекарственные растения. Ярким примером результата полиплоидии служит триплоидная сахарная свекла, которая в отличие от обычной, имеет большую урожайность вегетативной массы и более крупные размеры корнеплодов в сочетании с их повышенной сахаристостью и устойчивостью к различным болезням. Но триплоидные растения не дают потомства. Поэтому селекционеры могут получать гибридные семена только при скрещивании тетраплоидной и диплоидной форм. Вследствие доказанной стерильности триплоидных гибридов были получены бессеменные плоды арбуза, винограда, банана, которые пользуются большим спросом.

Существуют такие виды полиплоидии: автополиплоидия и аллополиплоидия. Первый вид описан выше. При аллополиплоидии ученые объединили метод искусственной полиплоидии с отдаленной гидридизацией. Так, были получены плодовитые гибриды растений, например, редьки и капусты, пшеницы и ржи, пшеницы и пырея. Эти гибриды обладают высокой урожайностью, холодостойкостью, неприхотливостью, устойчивостью к болезням.

Улучшение садоводства

У растений полиплоидия может возникать в результате нескольких различных явлений, возможно, наиболее частыми из которых являются ошибки в процессе мейоза, приводящие к образованию диплоидных гамет.

Более 40% культурных растений являются полиплоидными, включая люцерну, хлопок, картофель, кофе, клубнику, пшеницу, среди прочего, без связи между одомашниванием и полиплоидией растений.

Поскольку колхицин применялся как агент, вызывающий полиплоидию, он использовался в сельскохозяйственных культурах в основном по трем причинам:

-Для полиплоидизации гибридов и восстановления фертильности таким образом, чтобы некоторые виды были переработаны или синтезированы.

-И, наконец, как способ передачи генов между видами с разной степенью плоидности или внутри одного и того же вида.

Типы полиплоидии

Полиплоидии можно классифицировать по количеству наборов или полных наборов хромосом, присутствующих в ядре клетки.

С другой стороны, полиплоидии также можно классифицировать по происхождению хромосомных данных. В этом порядке представлений организм может быть автополиплоидом или аллополиплоидом.

Автополиплоид содержит несколько наборов гомологичных хромосом, полученных от одного и того же человека или от человека, принадлежащего к одному виду. В этом случае полиплоиды образуются путем объединения невосстановленных гамет генетически совместимых организмов, занесенных в каталог как один и тот же вид.

Аллополиплоид — это организм, который содержит негомологичные наборы хромосом из-за гибридизации между разными видами. В этом случае полиплоидия возникает после гибридизации между двумя родственными видами.

Когда возникает полиплоидия?

Нарушения числа хромосом могут возникать как в природе, так и в лабораторно установленных популяциях. Их также можно индуцировать мутагенными агентами, такими как колхицин. Несмотря на невероятную точность мейоза, хромосомные аберрации действительно происходят и встречаются чаще, чем можно было бы подумать.

Полиплоидия возникает в результате некоторых изменений, которые могут происходить во время мейоза, либо в первом мейотическом делении, либо во время профазы, когда гомологичные хромосомы организованы парами, образуя тетрады, и нерасхождение последних происходит во время анафаза I.

Значение полиплоидии

Полиплоидия сыграла огромную роль в эволюции диких и окультуренных растений (предполагают, что 30% растений появились благодаря полиплоидии). Свидетельством роли полиплоидии в эволюционном становлении растительного мира служат полиплоидные ряды. В таком случае представители одного рода формируют эуплоидный ряд с увеличением количества хромосомных наборов.

Усовершенствованная морфология и физиология полиплоидных растений дает им возможность заселять новые места, которые недоступны другим видам из-за неблагоприятные внешние условия.

Многие века человек неосознанно вел отбор полиплоидных видов, которые приносили большие урожаи, были выносливы к плохим погодным условиям и действию патогенных микроорганизмов. Овладение методом экспериментального образования полиплоидов дало возможность внедрить высокопродуктивные виды, например, триплоидную сахарную свеклу, или перечную мяту.

Полиплоидия также встречается при патологическом разрастании ткани, образовании злокачественных опухолей.

Квн в школе сценарий смешные 4 класс
1917 год основные события кратко
Тематическое планирование доу васильева
Положение о конкурсах олимпиадах выставках смотрах спортивных мероприятиях в школе
Роль фосфора в природе кратко

Роль полиплоидии в образовании видов

Около 75% нынешних сортов культурных растений — полиплоиды. Это овощи и фрукты, злаки, а также цитрусовые и лекарственные растения. Популярные триплоиды: арбузы и виноград без косточек. Данные виды доказывают стерильность триплоидных организмов, поскольку не могут давать потомства.

Полиплоидия нашла применение среди селекционеров, которые создают новые сорта растений. В основе метода лежит искусственное увеличение хромосомных наборов в клетках живых организмов, которое всегда кратно гаплоидному набору. Вследствие этого идет интенсивный рост клеток и особи в целом.

На сегодняшний день выведено много новых, плодовитых и устойчивых сортов. Для получения желаемого результата, применяют такой мутаген, как колхицин. Он препятствует расхождению хромосом во время деления.

Мутации с увеличением числа хромосом возникают также под влиянием температуры, радиации, или вследствие перемены внутреннего состояния клетки. Таким образом, под влиянием внешних факторов не образуется веретено деления, и процесс распределения генетической информации между дочерними клетками останавливается. Причиной возникновения полиплоидии может стать эндомитоз – идет удвоение количества хромосом, но само ядро не делится.

Клеточная полиплоидия делает растения более стойкими к переменам окружающей среды, и воздействию чужеродных агентов. Такая выносливость обусловлена тем, что в случае гибели нескольких гомологичных хромосом, большинство все же продолжают функционировать.

Используют для селекции также аллополиплоидные организмы. Хромосомные наборы таких особей различаются: набором генов, формой или количеством хромосом. Так, скрещивание растений различных родов, к примеру, ржи и пшеницы, дает в результате гибрида с одинарным набором ржи и одинарным набором пшеницы. Данное потомство не будет способно к дальнейшему воспроизведению себе подобных, только увеличение числа хромосом обоих растений даст возможность возобновить репродуктивную функцию.

Полиплоидия у человека

Полиплоидия редко встречается у позвоночных и считается неуместной для диверсификации групп, таких как млекопитающие (в отличие от растений), из-за сбоев в системе определения пола и в механизме компенсации дозы.

По оценкам, пять человек из 1000 рождаются с серьезными генетическими дефектами, связанными с хромосомными аномалиями. Еще больше эмбрионов с хромосомными дефектами выкидывают самопроизвольно, а многие еще не доживают до рождения.

У человека хромосомные полиплоидии считаются летальными. Однако в соматических клетках, таких как гепатоциты, около 50% из них обычно полиплоидные (тетраплоидные или октаплоидные).

Полиплоидии, наиболее часто обнаруживаемые у нашего вида, — это полные триплоидии и тетраплоидии, а также диплоидные / триплоидные (2n / 3n) и диплоидные / тетраплоидные (2n / 4n) миксоплоиды.

В последнем случае популяция нормальных диплоидных клеток (2n) сосуществует с другой популяцией, которая имеет 3 или более гаплоидных кратных хромосом, например: триплоид (3n) или тетраплоид (4n).

Триплоидии и тетраплодии у человека не жизнеспособны в долгосрочной перспективе. В большинстве случаев сообщалось о смерти при рождении или даже в течение нескольких дней после рождения, в диапазоне от менее одного месяца до максимум 26 месяцев.

Полиплоидия у животных

Полиплоидия у животных встречается редко. Наиболее распространенная гипотеза, объясняющая низкую встречаемость полиплоидных видов у высших животных, заключается в том, что их сложные механизмы определения пола зависят от очень тонкого баланса числа половых хромосом и аутосом.

Эта идея сохранилась, несмотря на накопление доказательств существования полиплоидов животных. Обычно это наблюдается у низших групп животных, таких как черви и широкий спектр плоских червей, у которых обычно есть гонады мужских и женских особей, что способствует самооплодотворению.

Виды с последним состоянием называются самосовместимыми гермафродитами. С другой стороны, это также может происходить в других группах, самки которых могут давать потомство без оплодотворения, посредством процесса, называемого партеногенезом (который не подразумевает нормальный мейотический половой цикл).

Во время партеногенеза потомство производится в основном путем митотического деления родительских клеток. Сюда входят многие виды беспозвоночных, такие как жуки, равноногие моли, бабочки, креветки, различные группы паукообразных и некоторые виды рыб, амфибий и рептилий.

В отличие от растений, видообразование посредством полиплоидии — исключительное явление для животных.

Полиплоидия у растений

Существование более чем одного генома в одном ядре сыграло важную роль в происхождении и эволюции растений, будучи, возможно, наиболее важным цитогенетическим изменением в видообразовании и эволюции растений. Растения были воротами к знаниям о клетках с более чем двумя наборами хромосом на клетку.

С самого начала подсчета хромосом было замечено, что большое количество диких и культурных растений (включая некоторые из наиболее важных) полиплоидны. Почти половина известных видов покрытосеменных (цветковых) являются полиплоидными, как и большинство папоротников (95%) и самые разнообразные мхи.

В пределах растений, возможно, аллополиплоиды (более распространенные в природе) играли фундаментальную роль в видообразовании и адаптивном излучении многих групп.

Появление новых видов

Полиплоидия важна, так как это отправная точка для возникновения новых видов. Этот феномен является важным источником генетической изменчивости, поскольку он дает начало сотням или тысячам дублирующих локусов, которые остаются свободными для получения новых функций.

В растениях это особенно важно и довольно широко распространено. По оценкам, более 50% цветковых растений произошли от полиплоидии

В большинстве случаев полиплоиды физиологически отличаются от исходных видов и благодаря этому могут колонизировать среду с новыми характеристиками. Многие важные виды в сельском хозяйстве (включая пшеницу) представляют собой полиплоиды гибридного происхождения.