К настоящему времени получены многочисленные данные, свидетельствующие о принципиальной возможности изменения рекомбинаций у разных видов растений под влиянием пола и возраста организмов, мутаций, структуры генома, абиотических и биотических факторов внешней среды.
При этом показаны стадио — и сегментоспецифичность изменений частоты кроссинговера, возможность индуцированного изменения не только частоты, но и спектра кроссоверов, в том числе и по количественным признакам. В пределах мейотической системы частота рекомбинации зависит от числа хромосом, гетерозиготности по структурным перестройкам и т. д.
Индуцирование хромосомных аберраций. Хромосомные аберрации могут быть внутри — и межхромосомными. К внутрихромосомным перестройкам относятся нехватки, инверсии, дупликации, транслокации. Хромосомы с нехватками (терминальными и интерстициальными) обычно элиминируют в результате нежизнеспособности пыльцы или ее медленного роста, но могут и передаваться потомству (как правило, через яйцеклетку). Разрывы хромосом, наблюдаемые в естественных популяциях, обычно называют спонтанными. Такие аберрации, как транслокации, чаще всего происходят под воздействием физических или химических мутагенов в соматических (к митозе) или генеративных (в мейозе) тканях, причем в любой точке хромосомы.
Многие исследователи указывают на эффективность совместного использования физических и химических мутагенов. Считается, что хромосомные перестройки, включая транслокации, нехватки, инверсии, индуцируются с максимальной частотой при обработке материала, клеточные ядра которого находятся в предмейотической стадии или в стадии мейоза. Обобщение результатов многих исследований позволяет сделать следующие выводы:
- в пределах каждой хромосомы можно выделить определенные зоны, особенно восприимчивые к разрывам;
- механизм действия различных мутагенных факторов, приводящий к разрыву хромосом и рекомбинациям, может быть одинаковым;
- гетеро — и эухроматиновые зоны хромосом одинаково реагируют на воздействие мутагенными факторами.
Индуцирование мейотического и митотического кроссинговера. На частоту кроссинговера влияют темпера тура, возраст, пол, генотип (определенные гены или структурные и изменения хромосом уменьшают частоту кроссинговера или совершенно подавляют его), состояние цитоплазмы, структура генома, положение центромеры, мутации, расположение генов в хромосоме, предшествующие хромосомные изменения, концентрация в субстрате и в самом организме соединений азота, кальция, фосфора, калия, магния и т. д. При этом частота индуцированной межгенной и внутригенной рекомбинации зависит от дозы и продолжительности облучения, а также особенностей самой хромосомы или ее сегмента.
Большое число данных указывает на эффективность использования химических мутагенов с целью индуцирования мейотического кроссинговера. Установлена рекомбиногенная активность митомицина С, актиномицина D и других антибиотиков, рибонуклеазы, некоторых химических супермутагенов. Для большинства организмов температура является наиболее эффективным фактором экспериментального изменения мейотической конъюгации гомологичных хромосом, а также кроссинговера. Однако механизмы влияния температуры на рекомбинационные процессы до конца не выяснены. Высказывается, в частности, предположение о стимулирующем или ингибирующем действии температуры на генные продукты локусов, влияющих на рекомбинацию. Такой подход соответствует эколого-генетической модели функционирования rec-системы и позволяет понять механизмы «буферирующей» роли высокой онтогенетической приспособленности гетерозигот. Выращивание гибридных растений F1 в условиях различной обеспеченности азотом, фосфором, калием и другими элементами питания, т. е. на разном эдафическом фоне, также может привести к значимому изменению частоты кроссинговера. Выявлена сезонная вариабельность частоты хиазм и кроссинговера у растений как следствие их зависимости от естественных условий среды. Отмечается не только высокая экологическая зависимость механизма кроссинговера, но и неодинаковая чувствительность разных частей генома к воздействию внешних факторов.
В целом многочисленные данные свидетельствуют о влиянии условий выращивания гибридов F1 на уровень и спектр рекомбинаций. И хотя природа этого влияния (как, впрочем, и многих других феноменов рекомбиногенеза) пока не выяснена, целесообразность выращивания гибридов F1 в варьирующих условиях внешней среды не вызывает сомнений. Сильная зависимость рекомбинационных процессов от условий внешней среды должна учитываться и в методическом аспекте, поскольку результаты оценки частоты рекомбинации подвержены значительной статистической ошибке.
Считается, что облучение эффективно только в течение относительно коротких периодов предмейотического и мейотического циклов, т. е. стадиоспецифично. Так, самый высокий выход рекомбинантов у томата (в 2 раза выше, чем в контроле) отмечался при облучении бутонов γ-лучами в период раннего предмейоза, тоща как облучение на последних стадиях 1-го деления мейоза приводило к снижению числа рекомбинаций. Присутствие B-хромосом в диплоидном гибриде изменяет частоту хиазм и число бивалентов в мейозе. Модификации конъюгации хромосом, вызванные добавочными хромосомами, описаны для пшеницы, овсяницы, кукурузы и других культур.
За счет индуцирования кроссинговера удается повысить величину rf на 20—50 % и более по сравнению с контролем. Реальные пределы увеличения rf связаны с пропорциональным возрастанием частоты кроссинговера примерно по всему геному или в отдельных сегментах либо с перераспределением обменов в определенные зоны без существенного изменения их общего уровня. Если возможности общего по геному индуцированного увеличения частоты обменов для высших организмов, видимо, довольно жестко ограничены, то для отдельных сегментов они могут быть весьма значительными. При этом с помощью экзогенных воздействий на гетерозиготы F1 удается изменить частоту кроссинговера, увеличить частоту рекомбинаций маркеров негомологичных хромосом, нарушить либо нормализовать сегрегацию маркеров в F2 и т. д. Наиболее эффективным в этом плане является сочетание действия экзогенных и эндогенных факторов.
Хотя митотический кроссинговер и происходит в 100—1000 раз реже, чем мейотический, уже накоплено большое число фактов, указывающих на принципиальную возможность индуцирования митотического кроссинговера у многих организмов, в том числе и у растений. Причем митотический кроссинговер может влиять на мейотическую рекомбинацию, в результате чего повышается частота рекомбинаций в зонах, проксимальных к точке соматического кроссинговера.
Индуцированное увеличение изменчивости количественных признаков. Особый интерес в селекции растений представляет возможность индуцированного увеличения генотипической изменчивости количественных (в том числе адаптивно значимых и хозяйственноценных) признаков. Так, при воздействии на гибридные растения томата на стадии мейоза химическими и физическими факторами (в том числе мутагенными) удается значительно (в несколько раз) увеличить по сравнению с контролем выход форм, отличающихся комплексами хозяйственно-цепных признаков.
Под действием экзогенных индукторов рекомбинации или их сочетаний в гетерозиготах (в том числе межвидовых гибридах) нарушаются традиционные схемы обмена на уровне целых хромосом и их сегментов, что может способствовать существенному изменению спектра доступной отбору генотипической вариабельности количественных признаков. При этом для разных видов организмов в одних и тех же условиях среды возможны U-образные и обратные зависимости частоты и спектра рекомбинаций. Следовательно, генетическая адаптация популяции может быть достигнута за счет как повышения, так и понижения частоты и спектра рекомбинантов в расщепляющихся поколениях. Индуцированная генотипическая вариабельность влияет на структуру расщепляющихся поколений, характер межгенотипической конкуренции, а значит и на генетический гомеостаз популяций. Наряду с дополнительными рекомбинационными обменами экзогенные факторы индуцируют и мутации, большая часть которых отрицательно сказывается на приспособленности. Поэтому изменения среднего значения признака и дисперсии могут не совпадать по направлению.