Embedded Files
Уважаемый Чарлз Дарвин!
Много лет прошло с тех пор, как в 1859 г. был опубликован ваш замечательный труд «О происхождении видов путем естественного отбора или сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» и биологическая наука шагнула далеко вперед, что позволяет ответить на многие вопросы, которые вы подняли в своей работе. Прочитав вашу книгу, я преклоняюсь перед вашим гением, перед вашим стремлением вникнуть в тайны природы и решить загадки, которая она предлагает нам. В данном письме я бы хотел подробно остановиться на одной из глав, имеющей название «Гибридизация». Эта тема показалась мне особенно любопытной в свете новых открытий различных механизмов, которые обусловливают возможность или невозможность получения гибридных форм. Истинный интерес представляют для меня вопросы, связанные с гибридизацией растений, поэтому я сосредоточу на них особое внимание.
В своем труде вы сумели выявить основные аспекты этой проблемы, а именно:
· Многогранность степени стерильности и зависимость ее от множества неизвестных факторов и законов;
· Различие в стерильности гибридов при реципрокных скрещиваниях;
· Параллелизм между скрещиванием и прививками;
· Происхождение стерильности гибридов;
· Проблема критерия вида.
Гибридизация является естественным процессом, который необычайно распространен в растительном мире. Отдаленная гибридизация и последующая полиплоидизация являлись пусковыми механизмами эволюции покрытосеменных. Установлено, что более 50 % покрытосеменных растений произошло в результате отдаленных скрещиваний. Только в семействе злаков выявлено около 800 естественных межвидовых и межродовых гибридов, имеющих сложные геномы, которые многократно модифицировались за счет отдаленных скрещиваний в процессе эволюции. Таким образом, отдаленная гибридизация является естественным инструментом создания новых жизненных форм.
Как вы увидите в дальнейшем по ходу моего рассуждения, причины, которые определяют фертильность и стерильность гибридов в каждом случае различны и невероятно сложны, каждый гибрид является индивидуальными и нельзя заранее предсказать исход гибридизации. Поэтому для выяснения причин и механизмов, которые имеют место в каждом конкретном случае, необходимо проводить множество различных экспериментов. Огромное число работ к настоящему времени сделано по одному из важнейших сельскохозяйственных родов – Triticum (пшенице). Поэтому многие аспекты этой научной проблемы в данном письме будут приводиться на примере именно этого рода.
Сложность получения гибридных растений и восстановления их фертильности связана с функционированием генетически обусловленных барьеров несовместимости, сложившихся в процессе эволюции и контролирующих изоляцию между растениями разных таксономических групп. При этом чем более отдалены группы между собой, тем сильнее проявляется несовместимость как при получении гибридных растений первого поколения, так при восстановлении фертильности у гибридов первого поколения и их потомков.
Несовместимость, проявляемую при отдаленной гибридизации, делят на следующие типы:
· Прогамная несовместимость проявляется в процессе прорастания пыльцы и пыльцевых трубок;
· Сингамная несовместимость проявляется в период двойного оплодотворения;
· Эмбриональная или постгамная несовместимость проявляется в период развития зародыша и эндосперма;
· Постэмбриональная несовместимость может проявляться с начала прорастания семян, а также в период развития гибридных растений первого поколения, в том числе при восстановлении их фертильности.
Первые три типа относятся к несовместимости при первом скрещивании и при образовании гибрида первого поколения. Механизмы несовместимости были хорошо изучены у злаковых на примере скрещиваний пшеницы с рожью и ячменем, и был доказан генетический контроль данных процессов.
При рассмотрении скрещиваемости различных видов Triticeae с мягкой пшеницей обнаружены значительные различия между видами и даже образцами одного вида, что говорит о наличии генов, контролирующих скрещиваемость, у диких видов. Прогамная несовместимость выражается в нарушении прорастания пыльцы на поверхности рыльца или в ткани столбика материнского вида. Оплодотворение в этом случае затруднено, и гибридизации не происходит. Например, при скрещивании T.aestivum и S. сereale неспособность пыльцевых трубок, достигающих основания столбика, проникать в зародышевый мешок является причиной их нескрещиваемости. Данный признак характерен для генотипов пшеницы, имеющих доминантные аллели генов Кr, которые контролируют нескрещиваемость гексаплоиднои пшеницы с рожью посевной. В настоящее время выделено четыре Кr гена, и установлена их локализация.
Скрещиваемость пшеницы с рожью зависит от генотипа форм, сортов ржи и даже индивидуальных растений, используемых при гибридизации, а не только от наличия определенных аллелей Кr генов у пшеницы. Предполагается существование у ржи доминантных генов, которые вступают во взаимодействие с Кr генами пшеницы. Уровень прогамной несовместимости, определяемый действием Кr генов, не является единственным фактором, влияющим на завязываемость зерновок. На завязываемости зерновок отражается также эффективность оплодотворения и жизнеспособность зерновок в постгамный период. Обнаружено, что при скрещивании пшеницы с рожью, особенно при использовании тетраплоидных пшениц, сильно выражены нарушения эмбриогенеза, приводящие к формированию нежизнеспособных зерновок. Это может быть связано как с действием Кr генов, так и с особенностями оплодотворения и онтогенеза, которые от Кr генов не зависят, и определяются более сложным характером генотипического влияния и воздействия внешних факторов. В том числе обнаружен ген El, который связан с ранней гибелью зародышей, а также гены Ch, D, Ne, которые обусловливают нежизнеспособность проростков и подавляют развитие гибридных растений.
Интересно отметить, что была выявлена связь между распространением аллелей Кr генов и географическим происхождением образцов пшеницы. Анализ скрещиваемости 1400 сортов пшеницы различного происхождения с рожью, показал, что сорта с высокими показателями скрещиваемости широко распространены среди генотипов из Китая, Японии, Восточной Сибири и Ирана. Объясняется это наблюдение тем, что в данных областях пшеница культивировалась изолированно от посевов ржи, и репродуктивный барьер между этими видами не выработался. Почти все пшеницы Европейского и Западно-Азиатского происхождения характеризуются низкой скрещиваемостью с рожью. Высказывается мнение, что у пшеницы распространенность генов скрещиваемости Кr имеет эволюционное значение: в областях совместного произрастания ржи и пшеницы эти гены в основном представлены доминантными аллелями, что обеспечивает изоляцию между двумя родами - Triticum и Secale.
Этот удивительный факт показывает, что ваше мнение относительно происхождения сложности получения гибридов и стерильности последних вне зависимости от естественного отбора является не совсем верным. Выработка репродуктивной изоляции каждый раз зависела от приспособленности образующихся гибридов: если гибриды обладали меньшей приспособленностью, то эволюционно было выгодно выработать системы предотвращения подобных скрещиваний. Если же рассматривать скрещивания дальних видов, то результат будет зависеть от степени дивергенции и филогенетического родства, и возможность образования гибридов и стерильность будет объясняться случайными изменениями в генах репродуктивных систем, которые накопились со времени расхождения и независимого эволюционирования видов.
Если слияние половых клеток двух различных видов произошло, то при этом объединяются геномы, которые вступают в сложные и непредсказуемые взаимоотношения друг с другом и с цитоплазмой яйцеклетки (ядерно-цитоплазматические отношения). Геном – это очень слаженная и тонко отрегулированная система, как вы правильно заметили, «сложнейшая организация», поэтому новые условия могут нарушить правильное функционирование составляющие ее генов. Возникает так называемый «геномный шок» (который я подробно опишу далее, при рассмотрении вопроса о полиплоидизации) как способ дозовой компенсации избыточного и несбалансированного числа генов.
Кроме взаимодействий ядерных геномов на успех первого скрещивания оказывает влияние и цитоплазматический геном, а именно митохондриальная и пластидная ДНК. Именно ядерно-цитоплазматическими отношениями объясняются различия в успехе реципрокных скрещиваниях (примерами различий такого рода, описанные в вашем труде, являются скрещивания Mirabilis jalapa и M. longiflora Кельрейтером), особенно, когда происходит элиминация хромосом одного из родителей в результате длительного беккроссирования (в дальнейшем я остановлюсь подробнее на этом процессе).
В основном для хлоропластного и митохондриального геномов характерен неравный тип наследования с материнской стороны. Долгое время считалось, что материнское наследование органелл - одно из основных положений внеядерной генетики. Такой тип наследования был подтвержден для хлоропластов и митохондрий большинства видов и родов покрытосеменных.
Но с помощью изучения пыльцы флуоресцентной микроскопией была показана возможность как отцовского, так и двуродительского наследования цитоплазматической ДНК. Нарушение материнского наследования мтДНК обнаруживается при отделенной гибридизации. Так, митохондриальный геном отцовского типа выявляется при анализе скрещиваний в роде Cucumis. У межродовых гибридов Festuca x Lolium, Hordeum x Secale описана отцовская или двуродительская передача мтДНК. Присутствие отцовской и новой отцовско-подобной мтДНК последовательности показано у пшенично-ржаного амфиплоида тритикале.
Разный тип наследования хлоропластного и митохондриального геномов у одного и того же вида позволяет предположить, что их наследование контролируется различными независимыми механизмами. По результатам исследований предполагается, что существует, по крайней мере, два пути, обеспечивающих материнскую передачу митохондриальной ДНК потомкам у покрытосеменных: ферментативная деградация мтДНК в мужских репродуктивных клетках при созревании пыльцы или исключение митохондрий из процесса оплодотворения. Однако было показано, что цитоплазма спермия может попадать в зиготу во время оплодотворения у видов, для которых характерно материнское наследование митохондриального генома. Поэтому деградация мтДНК во время формирования спермиев может считаться наиболее вероятным фактором, определяющим передачу митохондриальных генов только с материнской стороны.
Геном пластид при участии ядерного генома отвечает за процессы фотосинтеза, синтез каротиноидов, крахмала, липидов, а митохондриальный – за формирование комплекса дыхательной цепи. При этом сочетание ядерного генома одного вида и цитоплазматического генома другого может приводить к самым разным последствиям: стерильности растений (так называемой цитоплазматической мужской стерильности, когда угнетается развитие тычинок, пыльников и пыльцевых зерен, и женской – при аномалиях в развитии семяпочек и дифференцировке материнской клетки мегаспор), нежизнеспособности гибридов, гибридному дисгенезу. Чужая цитоплазма может активировать гены гибридного некроза, хлороза (отсутствия синтеза хлорофилла, что может определяться делецией пластидной ДНК, захватывающей до 50 % генома или мутацией ядерных генов), карликовости. Огромную пользу для изучения этих процессов оказали работы по искусственному получению ядерно-цитоплазматических гибридов, в которых производились пересадки ядер одного вида в цитоплазму другого, например, между родами Triticum и Aegilops. В некоторых случаях наблюдался обратный эффект: гибриды оставались фертильными, обладали мощным развитием и оказывались более раннеспелыми.
Особенный интерес представляют случаи появления в результате ядерно-цитоплазматических взаимодействий гаплоидных растений. Гаплоидом называют организм, имеющий в соматических клетках гаплоидный набор негомологичных хромосом. Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле спорообразующих грибов, бактерий и одноклеточных водорослей. У высших растений гаплоид впервые был обнаружен у дурмана в 1921 г., затем гаплоиды были найдены у пшеницы, кукурузы.
У гаплоидов проявляются рецессивные гены, так как их не прикрывают доминантные аллели, по внешнему виду, как правило, они сходны с соответствующими диплоидными организмами, но мельче их, что может объясняться уменьшением дозы генов, а также они бесплодны, так как в мейозе не образуются полноценные гаметы: хромосомы не имеют гомологов, в силу чего они не конъюгируют и расходятся случайно, образуя несбалансированные гаметы. В редких случаях весь набор хромосом отходит к одному полюсу. Из этих клеток образуются гаметы с нередуцированным гаплоидным числом хромосом. При встрече таких гамет в процессе самоопыления образуется диплоид, гомозиготный по всем генам, который имеет фенотип, полностью соответствующий генотипу.
Таким образом, ядерно-цитоплазматические отношения оказывают комплексное влияние на экспрессию ядерных генов, фотосинтез, дыхание, гаплоидизацию проростков, рекомбинацию и конъюгацию хромосом, что в конечном счете проявляется в жизнеспособности гибрида и его фертильности.
На примере мягкой пшеницы были обнаружены гены, которые контролируют взаимодействие ядерного генома и цитоплазмы других видов и обеспечивают их совместимость. Для полной совместимости необходимо наличие Ncc-sqr, Vi, scs и других генов. Ядерные гены, называемые scs (species cytoplasm specific) генами, взаимодействуют с чужеродной цитоплазмой и увеличивают или уменьшают фенотипический эффект в гибридах. Эффект генов scs наблюдается при реципрокных межвидовых скрещиваниях и реципрокных цитоплазматическо-ядерных замещениях, когда ядерно-цитоплазматическая специфичность нарушена. Гены scs влияют на все фазы развития растения, включая созревание семян, жизнеспособность растений и их фертильность, то есть влияют на половое размножение гибридов и контролируют механизм генетической изоляции видов. Ген Vi также частично восстанавливает совместимость, позволяет
получить нормальные семена, однако растения имеют ослабленный фенотип, хотя и являются фертильными. С течение времени накапливаются все новые и новые данные о генах, контролирующих восстановление фертильности, которые отличаются специфичностью действия относительно гибридов определенных мягкой пшеницы с определенными видами, например, с T. timopheevii, но не проявляющие это свойство при скрещивании с другим видом.
У ячменя выявлен ген Shw (sterility in hybrids with wheat), контролирующий стерильность гибридов ячменя с пшеницей. Его действие вызывает целый ряд аномалий мейоза, в том числе, появление полиплоидных половых клеток, а серьезные нарушения мейоза, в свою очередь, ведут к полной стерильности растений.
Одним из аспектов ядерно-цитоплазматических отношений, как было сказано ранее, является гибридный дисгенез. Этот феномен был детально изучен на примере дрозофилы, но имеет широкое распространение и в растительном мире.
Скрещивания определенных линий дрозофилы приводит к образованию потомства с «дисгенетическими признаками». Это выражается в появлении у них серии генетических дефектов, таких как мутации, хромосомные перестройки, нарушение расхождений хромосом в мейозе и стерильность. Комплекс этих генетических аномалий характеризует явление, получившее название гибридного дисгенеза. У дрозофилы было выделено несколько систем, обусловливающих гибридный дисгенез: например, I-R, Р-М. При скрещиваниях самцов из линий I (inducer) с самками R (reactive) наблюдается уменьшение плодовитости потомства, однако реципрокное скрещивание такого эффекта не дает.
Скрещивание между самцом Р (paternal) и самкой М (maternal) вызывает дисгенез, а реципрокное скрещивание — нет. Дисгенез проявляется преимущественно в зародышевых клетках. Морфологический дефект в развитии зиготы обнаруживается со стадии, на которой в зародышевой линии начинается быстрое клеточное деление. Дисгенез вызывается фактором Р, транспозоном, находящимся в хромосомах Р- линии, в линии М нет Р-фактора. Показано, что Р-фактор активируется под действием М-цитоплазмы, унаследованной по материнской линии. Внедрения Р-элемента стабильны, если хромосома находится в Р-цитотипе; если хромосома попадает в М-цитотип, Р-элементы начинают перемешаться.
Любая хромосома Р-самца может вызвать гибридный дисгенез в скрещиваниях с М-самкой. В пределах же одной хромосомы довольно много районов способно вызвать дисгенез. Это предполагает, что Р-самец в своем геноме имеет большое число Р-факторов — от 30 до 50, и в разных линиях-локализация их различна. Функционально это один ген, кодирующий белок - транспозазу. В соматических клетках синтезируется белок, который приводит к репрессии перемещений транспозона. Эти различия в экспрессии транспозазы определяют специфичность активирования перемещений Р-элемента в половых клетках. Белок, который репрессирует транспозицию, в большом количестве присутствует в яйце, как материнский фактор. В линии Р должно быть достаточно этого белка, чтобы полностью предотвратить транспозицию, хотя Р-элементы и присутствуют. В любом скрещивании, в котором принимает участие Р-самка, транспозаза не синтезируется. В том случае, когда самка имеет М-цитотип, в яйце не накапливается белок репрессор и внесение Р-элемента из генома самца приводит к наработке транспозазы в клетках зародышевого пути.
Рассмотренные примеры убедительно показывают, насколько правы были вы, уважаемый Чарлз Дарвин, когда писали о «ничтожных и таинственных причинах, от которых зависит большая или меньшая фертильность вида». Даже в настоящее время нельзя сказать, что научное сообщество приблизилось к разгадке всех законов, которые управляют этим удивительным процессом.
Теперь обратимся к вопросу о фертильности гибридов первого поколения. Основной причиной стерильности гибридов первого поколения является нарушение мейоза. При оплодотворении сливаются ядра мужской и женской половых клеток и восстанавливается нормальное, диплоидное число хромосом. Хромосомы впервые были описаны Э. Страусбургером при исследовании митоза у растений лишь в 1875-79 гг., поэтому вы, к сожалению, не могли знать о них и тем более предположить об огромной важности этих структур как материала наследственности (хромосомная теория наследственности была сформулирована в 1930-х гг. Т. Морганом, К. Бриджесом и Г. Меллором). При образовании половых клеток гомологичные хромосомы, одна из которых унаследована от матери, а другая от отца, соединяются в пары – биваленты. Ясно, что если хромосомы разных видов существенно различаются, то при мейозе они не могут образовать пары, дочерние клетки -предшественники гамет - получают дефектные хромосомные наборы с недостатком или избытком хромосом, и развивается стерильность гибрида. Но если удается восстановить правильность образования пар, то фертильность может восстановиться. Это наблюдается при полиплоидизации, которая наблюдается в естественных условиях или может быть получена искусственно. Далее я рассмотрю подробнее вопросы, связанные с полиплоидизацией.
Изменение числа хромосом, когда в клетке присутствует более двух гаплоидных наборов, называют полиплоидией. Этот термин был введен Э. Страсбургером в 1910 г. В свою очередь гаплоидным (n) называют такой набор хромосом, в котором из каждой пары гомологичных хромосом представлена только одна. Он несет в себе часть наследственной информации родителей. Гаплоидный набор хромосом с локализованными в нем генами Г. Винклер в 1920 г. предложил называть геномом.
Возможны следующие причины полиплоидии:
· Неравномерное расхождение хромосом к полюсам в анафазе.
· Деление ядра без деления клетки.
· Удвоение хромосом без их отделения друг от друга.
Организмы, у которых произошло умножение целых гаплоидных наборов, называют собственно полиплоидами или эуплоидами. Полиплоиды, у которых число хромосом не является кратным гаплоидному, называют гетероплоидами или анеуплоидами. Если удвоение геномов происходит в первом делении зиготы, то такая полиплоидия называется мейотической, все клетки зародыша будут полиплоидными. Полиплоидизация может возникать в части клеток в результате нарушения митоза – это соматическая полиплоидия.
Г. Винклер в 1916 г. впервые описал полиплоиды у томатов и паслена. К настоящему времени установлено, что около 30 % всех покрытосеменных растений являются полиплоидами. Широко распространена полиплоидия среди растений, возделываемых человеком. У голосеменных растений она редка, хотя встречается у папоротников и мхов. Возможно, что полиплоиды лучше приспосабливаются к произрастанию в суровых условиях: среди всех видов цветковых растений в арктических широтах полиплоиды составляют более 70 %, на Алтае — 65 %. Считается, что по многим аспектам генетическая система аллополиплоидов увеличивает приспособленность этих видов по сравнению с исходными диплоидными предшественниками. Благоприятные факторы работают как на молекулярном, так и на популяционном уровне, к ним относятся – возрастание гетерозоготности, уменьшение инбредной депрессии, увеличение генетического разнообразия, возникающее благодаря множественности происхождения аллополиплоидов, геномные перестройки, сопровождающие становление полиполида, а также генный сайленсинг. У животных встречается главным образом соматическая полиплоидия.
Группа видов, которые относятся к одному роду и кариотипы которых составляют ряд возрастающего кратного увеличения числа хромосом, называется полиплоидным рядом, например род Тriticum.
Такие полиплоидные ряды очень распространены у покрытосеменных растений, например у земляники, розы, щавеля, хлопчатника, свеклы и многих других.
Полиплоиды, возникающие на основе увеличения числа наборов хромосом внутри рода, называют автополиплоидами.
В норме, у диплоидов, в профазе мейоза образуются биваленты. У тетраплоидов в мейозе образуются квадриваленты — группы из четырех конъюгирующих хромосом, и не всегда четырем гомологичным хромосомам удается найти друг друга и образовать квадривалент. Иногда они образуют группу из трех хромосом (тривалент) и унивалент или два бивалента. Наличие квадривалентов, тривалентов и унивалентов в мейозе у тетраплоидов ведет к нарушениям в распределении хромосом и к образованию гамет с измененным числом хромосом. Кроме правильного расхождения хромосом в мейозе у автотетраплоида (ААаа) возможно также расхождение хромосом в соотношении 3:1 и 4:0. При этом возникнут гаметы ААа и а, Ааа и А, а также ААаа и 0. Часть таких гамет нежизнеспособна. У диплоида Аа (2n) образуются гаметы А и а в соотношении 1:1. У тетраплоида ААаа (4n) расхождение гомологичных хромосом в мейозе возможно в соотношениях 2 : 2, 3 : 1, 1 : 3, 4 : 0, 0 : 4.
Тетраплоиды чаще всего имеют большую вегетативную массу (листья, стебли, семена, плоды), размеры клеток увеличены. Однако у них может резко уменьшиться плодовитость (до 5 % от нормы) из-за нарушения расхождения поливалентов в мейозе.4.19
В результате скрещивания тетраплоида с диплоидом получается триплоид. Эти растения крупнее и мощнее, чем растения с четным числом хромосомных наборов (например, триплоидная форма сахарной свеклы), но полностью стерильные. Именно это наблюдается при скрещивании полученного полиплоидного гибрида с одной из родительских форм.
Аллополиплоидией называют удвоение или многократное умножение хромосомных наборов различной структуры. В 1917 г. О. Винге предположил, что полиплоидные ряды могут возникать в природе в результате межвидовой гибридизации и суммирования числа хромосом скрещивающихся видов, т. е. у аллополиплоида объединяются геномы по крайней мере двух видов. Мейоз у аллополиплоидов имеет ряд особенностей.
Например, объединены геномы S (рожь) и Т (пшеница). У гибрида будет два генома — Т и S, по 7 хромосом в каждом. В мейозе образуются 14 унивалентов, поскольку хромосомы одного вида не имеют гомологии с хромосомами другого. В анафазе они будут беспорядочно расходиться к полюсам. Гаметы могут иметь от 0 до 14 хромосом (7Т + 7S). Гаметы, содержащие оба набора (14 хромосом), называются нередуцированными. При объединении таких гамет образуется зигота с удвоенным набором хромосом каждого вида аллотетраплоид. Он оказывается фертильным. Именно поэтому фертильность таких гибридов будет во много раз ниже, так как малое число гамет является нередуцированными.
В 1925 г. два американских генетика Т. Гудспид и Дж. Клаусен получили вид табака с 72 хромосомами в результате гибридизации 48- и 24-хромосомных видов. Фертильные аллополиплоиды в результате межродовых скрещиваний получил Г. Д. Карпеченко в 1927 г. на растениях. Аллополиплоид у животных от межвидового скрещивания шелкопрядов Вотbiх тоri и В. Mandarina впервые в 1961 г. получили Б. Л. Астауров и В. Н. Верейская, как и описанный в вашем труде пример г-на Катрфажа относительно B. cynthia и B. arrindia.
Г. Д. Карпеченко использовал в скрещиваниях два вида из разных родов Brassica oleacea (капуста) и Raphanus sativus (редька).У обоих видов диплоидное число хромосом 2п = 18. Гибрид имел 18 хромосом, был мощным, сильно цвел, но семян не образовывал. Отдельные гаметы были нередуцированными, т. е. имели по 9R и 9В хромосом. От них получились устойчивые фертильные аллополиплоидные (или амфидиплоидные) растения с 4n = 36, которым автор дал новое видовое название Рафанобрассика. На этом примере можно проследить, как восстанавливалась фертильность образованных гибридов и появлялись новые виды растений.
Аллополиплоидия широко распространена природе. В течение ХХ столетия было детально изучено, как в результате гибридизации и полиплоидизации образовались многочисленные виды пшениц. Естественный аллополиплоид (2n = 42) Triticum aestivum (пшеница мягкая, или хлебная) является одним из основных хлебных растений мира. Она имеет геном AABBDD. Для 35 % населения Земли это основной продукт питания. Естественный аллотетраплоид Т. durum (пшеница твердая, или макаронная) имеет 2n = 28. Единственный возделываемый диплоидный вид Т. mоnососсит (пшеница однозернянка) имеет 14 хромосом. Геном T. aestivum образовался в результате гибридизации Aegilops squarrosa (DD) и Triticum(AABB). Другой вид – пшеница Жуковского имеет геном AAAAGG, т.е. он произошел в результате удвоения генома тетраплоида (T. araraticum – AAGG), а источником генома GG является Aegilops speltoides.
Как мы видели выше, в результате объединения геномов близких видов, например редьки и капусты, образуются новые формы, имеющие все признаки вида. Таким образом, использование аллополиплоидии дает возможность как синтезировать новые, не существующие в природе виды (этот процесс называется синтезом видов), так и искусственно воссоздавать уже существующие (ресинтез видов). В качестве примера ресинтеза видов можно привести работу шведского генетика А. Мюнтцинга (A. Muntzing), выполненную в начале 30-х гг. В результате скрещивания двух видов растений из семейства губоцветных –Galeopsis pubescens и G. speciosa, имеющих в диплоидном наборе по 16 хромосом, он получил гибрид, у которого было по 8 хромосом от каждого вида, а затем аллотетраплоид (амфидиплоид) с 32 хромосомами. Эта гибридная форма проявила очень большое внешнее сходство с существующим в природе видом G. tetrahit, тоже имеющим 32 хромосомы. Оказалось, что «синтетический» вид легко скрещивается с G. tetrahit, однако ни «синтетический», ни С. tetrahit не скрещиваются с G. риbescens или G. speciosa. Мюнтцинг пришел к выводу, что природный G. tetrahit возник когда-то тем же путем, что и «синтетический» вид, т. е. за счет гибридизации двух других видов. Позже были ресинтезированы многие другие виды: например, слива (2n= 48) была получена в 1935 г.
В. А. Рыбиным в результате удвоения хромосом гибрида терна (2n = 32) с алычой (2n = 16), брюква - в результате гибридизации турнепса с капустой.
Все факторы, влияющие на митоз и мейоз, могут вызвать полиплоидию: изменение температуры, радиация, действие наркотиков, механические воздействия — пасынкование, декапитация.
И. И. Герасимов в 1898-1901 гг. впервые экспериментально получил тетраплоидные клетки водоросли спирогиры после воздействия на исходные клетки парами эфира, высокой температурой и др. Особенно популярен колхицин — алкалоид, выделяемый из растения безвременника осеннего — Colchicum autumnale. Впервые его применили А. Ф. Блексли, А. Дж. Эйвери и Б. Небел в 1937 г. Колхицином обрабатывают точки роста растений или инъецируют его животным в водном растворе. Этот алкалоид парализует расхождение хромосом к полюсам (ингибирует присоединение молекул тубулина к микротрубочкам), но не препятствует их репродукции. Таким образом в искусственных условиях можно преодолеть стерильность гибридов первого поколения и получить фертильные полиплоиды.
Теперь я хочу обратиться к рассмотрению аллополиплоидов, так как механизмы, влияющие на функционирование генома при отдаленной гибридизации, можно изучать на их примере.
При аллоплоидизации возникает целый ряд проблем, таких, как доза генов, возросший размер генома, обеспечение спаривания гомологичных и подавление спаривания гомеологичных хромосом. Для успешного становления появившийся полиплоид должен обладать механизмами, которые могут справиться с этими проблемами уже на начальных стадиях образования. В полиплоидном геноме возможны такие геномные изменения, которые не могут быть достигнуты на диплоидном уровне. Например, межгеномный горизонтальный перенос сегментов хромосом, транспозонов, конверсия генов могут появляться только на фоне аллополиплоидии, что показано в недавних работах Леви и Фельдмана. По Фельдману, который сделал ряд успешных работ по генетике пшеницы, установил, что становление полиплоида включает два главных этапа:
· цитологическая диплоидизация, при которой обеспечивается бивалентное спаривание гомологичных хромосом, что приводит к мейотическому поведению, подобному таковому у диплоидных форм пшеницы (существует система генов Ph1 и Ph2, которая обеспечивает подавление спаривания гомеологичных хромосом и допускает спаривание гомологов);
· генетическая диплоидизация, при которой дуплицированные гены экспрессируются на пониженном уровне. Например, аллополиплоидия у Arabidopsis и Triticeae связана с сайленсингом генов. Генетическая диплоидизация и дозовая компенсация у вновь синтезированных аллополиплоидов может быть достигнута инактивацией генов или модификацией их экспрессии, например, путем метилирования.
Но до настоящего времени механизмы реконструкции и стабилизации вновь сформированных аллополиплоидов остаются неясными. МакКлинток предположила, что слияние двух разных геномов в одном ядре при формировании аллополиплоида представляет "геномный шок", на который растения отвечают разнообразными геномными перестройками в соответствии с уже имеющимися у них механизмами ответа на стресс. Вновь синтезированные аллополиплоиды часто являются нестабильными. В условиях стресса увеличивается фенотипическая и генетическая изменчивость образовавшихся аллополиплоидов. Фенотипическое разнообразие связано с физиологическими нарушениями, приводящими к подавлению роста и развития растений, снижению их фертильности. Все они связаны с нарушением клеточного цикла, индуцируемого фитогормонами. Генетическая изменчивость обусловлена:
· Грубыми кариологическими нарушениями (изменениями числа хромосом – полиплоидии, анеуплоидией; хромосомными перестройками – транслокациям, делециями, инверсиями, дупликациями);
· Точковыми мутациями;
· Соматическим кроссинговером и обменом сестринских хроматид;
· Изменчивостью цитоплазматических геномов;
· Амплификацией и редукцией генов;
· Активацией молчащих генов;
· Активацией мобильных компонентов;
· Изменением метилированием ДНК.
Более высокая частота изменений проявляется, если виды имеют более дальнее родство. Этот факт нашел подтверждение в блестящих работах Сонга с коллегами, которые изучали синтетические аллополиплоиды между диплоидами B.rapa, B.nigra и B.oleracea. Потеря родительских фрагментом хромосом и появление новых в особенности часто обнаруживались у гибридов между В.гара и B.nigra. Более высокая частота изменений в скрещивании В.гара и B.nigra, объясняется более дальним родством этих видов, чем видов В.гара и В.оlеrасеа. Также показано, что ядерный геном, полученный от отцовского родителя, претерпевал более значительные изменения, чем геном материнского родителя, что указывает на важную роль ядерно-цитоплазматических взаимоотношений при становлении полиплоида.
Но стоит отметить, что даже в пределах одного рода могут проявляться различные ответы на «геномный шок», вызываемый полиплоидизацией гибридного генома, что еще раз указывает на высочайшую сложность этих перемен и на индивидуальность каждого рассматриваемого случая.
Наиболее очевидное генетическое последствие аллополиплоидии - дупликация генов. В этом случае дуплицированные (гомеологичные) копии отдельных хромосом, сегментов хромосом, или генов являются привнесенными из разных донорских таксонов во время формирования аллополиплоида. С дуплицированными генами могут происходить различные функционально-генетические изменения, которые заключаются, во-первых, в приобретении геном новой функции, во-вторых, в разрушении путем мутаций и появлении псевдогенов, однако часто обе копии гена сохраняют свои функции. Также широко распространена элиминация последовательностей ДНК, что описано в работе Шакеда. Он же предложил несколько механизмов элиминации:
· генная конверсия между гомеоаллелями;
· вырезание последовательности и последующая потеря через такие механизмы, как вырезание транспозонами или сайт-специфическая рекомбинация;
· кроссинговер между прямыми повторами, которые фланкируют элиминируемую последовательность, и последующая потеря вырезаемого кольца.
Недавние исследования показали, что у новых аллополиплоидов происходят и эпигенентические изменения, то есть изменяется экспрессия генов через взаимосвязанные модификации, включающие метилирование ДНК, модификацию гистонов и упаковку хроматина. Одним из наиболее изученных эпигенетических явлений у аллополиплоидов является ядерное доминирование, которое выражается в транскрипционном сайленсинге одного набора родительских рРНК генов у межвидовых гибридов и аллополиплоидов. У аллотетраплоидов Arabidopsis и Brassica сайленсинг генов связан с высоким уровнем метилирования ДНК и низким уровнем ацетилирования гистонов. Механизм, вызывающий эпигеномные изменения, не выяснен, однако у новых аллополиплоидов дисбаланс во взаимодействии факторов, кодируемых разными геномами, наряду с дисфункцией факторов одного из геномов в отношении хроматина чужеродного генома, может вести к нарушениям экспрессии генов. Такие изменения также ведут к транскипционной и транспозиционной активации ДНК транспозонов и ретроэлементов.
Изменения в метилировании ДНК иногда являются наследуемыми и могут поддерживаться во многих поколениях и, следовательно, влиять на эволюцию полиплоида. Даже нестабильные эпигенетические изменения могут влиять на эволюцию аллополиплоида, если они затрагивают репродуктивную или адаптационную функцию. Например, у синтезированного аллополиплоида Brassica napus проявляются наследуемые изменения по времени цветения. Хотя эти изменения могут быть вызваны эпигенетическими взаимодействиями и могут являться нестабильными, тем не менее, вариации по времени цветения способны приводить к репродуктивной изоляции нового полиплоида от диплоидных предшественников, что и позволят ему заполнить новую экологическую нишу. Отбор будет поддерживать эпигенетически регулируемый признак до тех пор, пока генетические мутации не сделают его проявление стабильным.
Таким образом, множеством экспериментов к настоящему времени показано, что полиплоидизация, которая неразрывно связана с эволюцией гибридных форм растений, приводит к огромному количеству изменений генома образовавшихся форм. Такие изменения невозможно предсказать заранее, можно лишь изучать конкретные факты и на них строить предположения, относительно механизмов, которые обусловливают этот процесс. Все эти изменения напрямую или косвенно влияют на успех гибридизации, на фертильность гибридов и их жизнеспособность.
В вашем замечательном труде часто фигурируют примеры скрещивания растений с родительскими формами. В настоящее время для обозначения подобного скрещивания используется специальный термин – беккроссирование. Он неразрывно связан с проблемой полиплоидизации и восстановления фертильности гибридов и отражает процессы, идущие в природе, так как виды исходно занимают определенный ареал, где постоянно контактируют с другими особями, в том числе после скрещивания с другим видом. Подробные экспериментальные данные этого процесса получены на примере гибрида пшеницы и ржи (Triticum aestivum и Secale cereale).
P T. aestivum × S. cereale
(2n=42) (2n=14)
F1 Гибрид (2n=28) – стерильный;
Полиплоидизация Гибрид (2n=56) – фертильный;
Беккроссирование Гибрид (2n=56) × T. aestivum;
BC1 Беккросс 1 (2n=49) – частично фертильный.
При образовании нередуцированных гамет у гибрида первого поколения фертильность восстанавливается. Такой процесс возможен при разрушении веретена деления колхицином или подбором определенной температуры, изменением других внешних условий культивирования. Общеизвестно, что в горах контрастные условия, когда ночью температура воздуха может резко падать, а днем так же резко расти, являются причиной нарушения образования веретена деления, нормального расхождения гамет в мейозе и, в конечном счете, роста числа нередуцированных гамет. Поэтому в горных районах наблюдается большой процент межвидовых и межродовых гибридов с восстановленной фертильностью. Образовавшиеся фертильные полиплоиды могут скрещиваться с такими же особями или с родительскими, что более вероятно ввиду большей распространенностью родительских форм по сравнению с гибридными. При беккроссировании в первое поколение беккроссов в случае пшеницы и ржи уже является частично фертильным, так как из 49 хромосом 42 происходят от пшеницы, а 7 от ржи. Эти 42 хромосомы формируют нормальные биваленты, а оставшиеся 7 хромосом ржи могут элиминироваться или замещать случайным образом хромосомы пшеницы. Часто наблюдается перенос отдельных участков или целых плечей хромосом и встраивание в геном пшеницы, поэтому метод беккроссирования получил широкое применения в практике искусственного встраивания чужеродной генетической информации в геном модифицируемого вида. Подобные процессы происходят и в течение повторных скрещиваний с родительскими формами, пока не произойдет стабилизация нового генома. Ввиду численного преобладания хромосом одного вида над другим фенотип гибрида будет близок к доминирующей родительской форме.
Это может показаться неожиданным, но кроме полиплоидизации существует еще один процесс, который позволяет некоторым гибридам восстановить фертильность. Это возможно, когда виды имеют одинаковое число хромосом, как в случае с двумя видами подсолнечников: Helianthus petiolaris и Helianthus annuus (2n=34). Гибриды между ними называются гомоплоидными (рекомбинантными), восстанавливающие фертильность в процессе формирования рекомбинантных хромосом. Гибриды первого поколения ввиду большой гомологии хромосом формируют биваленты, в которых при кроссинговере происходи обмен участков хромосом. При каждом последующем скрещивании происходят все новые и новые обмены, которые приводят к появлению полностью гомологичных пар. Установлено, что таким путем в процессе эволюции появились три новых вида подсолнечников: H. anomalus, распространенный на песчаных дюнах, H. deserticola - на пустынной равнине и H. paradoxus – на соленых болотах. Разные природные условия и длительное отсутствие скрещивания между собой позволили гибридам, произошедшим от двух одинаковых исходных видов, дивергировать так сильно и занять столь разные экологические ниши, так в каждом случае отбором подхватывались разные рекомбинантные сочетания, благоприятные в определенных условиях среды.
Далее я хочу рассмотреть внешние проявления различных скрещиваний, которые широко используются в сельском хозяйстве, в частности в растениеводстве.
В вашем блестящем труде совершенно правильно отмечено, что «случайное скрещивание с отличающейся особью или разновидностью увеличивает силу и фертильность потомства, а разведение в чрезмерно близком родстве уменьшает их силу и фертильность». В настоящее время известны механизмы понижения жизнеспособности особей при инбридинге – близкородственном скрещивании.
В основном популяции представляют собой группы животных или растений, свободно размножающихся половым путем. В природе особи гетерозиготны по многим генам, в силу чего в популяциях при свободном скрещивании идет непрерывная внутрипопуляционная гибридизация со сложным расщеплением, возникновением гомозигот и появлением особей, являющихся сложными гетерозиготами. Многообразная гетерозиготность, общая сложность генетической природы популяций ярко обнаруживаются, когда в экспериментальных условиях растения из популяций перекрестников, например рожь, кукуруза, подсолнечник и т. д., в ряде поколений начинают подвергаться принудительному самоопылению. Получение потомства от скрещивания родственных между собой особей называется инбридингом. Родственными называют скрещивания особей, имеющих близкую степень родства: брат-сестра, отец-дочь, мать-сын, двоюродные братья и сестры. В результате самоопыления, как это в свое время теоретически показал Г. Мендель, возникают чистые, то есть гомозиготные, линии.
Гены, бывшие у особей исходной популяции в гетерозиготном состоянии, переходят в гомозиготное состояние, по-разному сочетаясь в разных чистых линиях. Уже в первом поколении при крайней степени инбридинга — самоопылении популяция гетерозигот Аа распадается на три группы особей: 25 % АА + 50 % Аа + 25 % аа. Этот процесс расщепления гетерозигот осуществляется в каждом поколении, что ведет к нарастанию доли гомозигот и к уменьшению доли гетерозигот. Результатом инбридинга обычно является ослабление жизнеспособности. Представим, что аллель а имеет летальное действие или снижает жизнеспособность. Очевидно, что в каждом поколении инбридинга 25 % особей аа либо будут вымирать, либо будут сильно ослабленными. В результате инбридинг в ряду поколений приводит к депрессии. В связи с тем что каждый перекрестноопыляющийся сорт насыщен различными вредными рецессивными мутациями, то естественно, что при инбридинге проявляется понижение жизнеспособности, урожайности, устойчивости к заболеваниям, уменьшение размеров, возникают уродства. Кукуруза и рожь — типичные перекрестно опыляющиеся растения, однако их можно принудить к самоопылению. У ржи этого легко достигнуть, прикрыв колосья накануне цветения изоляционными мешочками. При этом семена завязываются очень слабо, и лишь у очень незначительной части растений они вообще образуются. Растения, выращенные из подобных семян, обладают меньшей жизнеспособностью по сравнению с исходным материалом. Если применять такой же инбридинг на протяжении нескольких последовательных поколений, то станут ясно заметны все более усиливающиеся признаки инбредного вырождении, пока не будет достигнут инбредный минимум. Продолжение инбридинга не вызовет дальнейшего ухудшения. До того как будет достигнут инбредный минимум, многие инбредные линии, по крайней мере у ржи, вымрут либо из-за плохой жизнеспособности, либо потому, что образование семян в колосьях, заключенных в изоляционные мешочки, совершенно прекратилось.
Опыты по инбридингу в большом масштабе проводили также на крысах, морских свинках, дрозофиле. Поскольку у животных возможность самооплодотворения исключена, то наиболее эффективным является скрещивание братьев и сестер, так называемое спаривание сибсов. Если спаривание сибсов повторяется на протяжении нескольких поколений, то оно постепенно приводит к инбредному минимуму такого же типа, как и у растений. Но при спаривании сибсов для получения полной или почти полной гомозиготности, характерной для материала, достигшего инбредного минимума, необходимо большее число поколений, чем при самоопылении.
Однако угнетающее действие инбридинга проявляется не всегда. Многие растения постоянно и без всяких признаков депрессии размножаются исключительно или преимущественно самоопылением, например пшеница, овес, рис, горох, табак, томаты и др. У лабораторных животных (мыши, крысы), у которых инбридинг большей частью приводит к вредным последствиям, в отдельных случаях даже очень длительный (50-70 поколений) тесный инбридинг не приводил к сколько-нибудь заметным отрицательным результатам.
Для предотвращения инбридинга и его вредных последствий многие растения выработали комплекс генов самонесовместимости, поэтому они легче опыляются пыльцой другого вида, чем своей собственной. Этим объясняются удивительные результаты, которые вы описываете в своей книге, полученные проф. Хилдебрандом у различных орхидных, а также в случае Lobelia, Verbascuin и Passiflora.
Далее вы в своей книге ссылаетесь на «старинное и почти всеобщее убеждение, что слабые перемены в жизненных условиях полезны для всех живых существ…это придает потомству силу и фертильность». Этот феномен известен как аутбридинг и, как его последствие, гетерозис.
Скрещивание между неродственными особями, или аутбридинг, по своим генетическим следствиям прямо противоположно инбридингу. Аутбридинг повышает гетерозиготность потомков, объединяет в гибридах аллели, существовавшие у родителей порознь. Вредные рецессивные гены, находившиеся у родителей в гомозиготном состоянии, подавляются у гетерозиготных по ним потомков. Поэтому гибриды первого поколения часто оказываются более жизнеспособными, плодовитыми и продуктивными, чем родители, то есть проявляют гибридную мощность. В 1914 г. Дж. Шелл предложил гибридную мощность называть гетерозисом. Дальнейшие скрещивания этих гибридов внутри себя ведут к затуханию гетерозисного эффекта. В сельском хозяйстве давно используют гетерозис, а в особенно большом масштабе в США при разведении кукурузы. Обычно для этого применяют так называемый метод двойного скрещивания, который предусматривает комбинирование четырех инбредных линий. В США, по данным Дж. Дженика из Отдела садовых культур (Purdue University, West Lafayette) за 1996 г., список культур, при посадке которых более чем на 50 % используются гибриды F1, огромен. В него входят аспарагус (90 %), брокколи (100 %), брюссельская капуста (95 %), кочанная капуста, цветная капуста (50-75 %), морковь (90 %), огурцы (95 %)баклажаны, лук (65 %), тыква (50-70 %), шпинат (90 %), сладкая кукуруза (99 %), помидоры и свекла (70 %), арбузы (80 %).
Гибриды также доминируют на рынке семян декоративных растений, таких как агератум, гвоздика, семенные сорта герани, африканские бархатцы, табак, петуния, примула, анютины глазки, львиный зев. Широко используется гетерозис и в животноводстве. По сведениям, приведенным в книге С. М. Гершензона [1983], у кур гибриды F1, полученные от скрещивания двух довольно сильно инбридированных линий породы леггорн, превосходили родителей по яйценоскости, по весу взрослых кур — на 130 г.
В 1908-1909 гг. американские кукурузоводы Дж. Шелл и Е. Ист предложили теорию, согласно которой гетерозиготность как таковая оказывает стимулирующее, а гомозиготность, наоборот, угнетающее воздействие на жизнеспособность. На основе ее Д. Джонс (D. Jones) в 1918 г. сформулировал первую гипотезу гетерозиса, полагавшую его причиной действие связанных доминантных генов. В последующие годы эта гипотеза развивалась и дополнялась и в современном варианте включает в себя по крайней мере четыре разных предположения о действии доминантных факторов в гетерозисном эффекте:
· подавляющее действие доминантных факторов в отношении вредных рецессивов;
· аддитивный эффект доминантных факторов в отношении вредных рецессивов;
· неаллельное взаимодействие по типу эпистаза;
· сверхдоминирование.
В целом гипотеза благоприятных доминантных факторов удовлетворительно объясняла многие случаи гетерозиса. Однако Дж. Кроу рассчитал, что средняя прибавка в урожае популяции, где все вредные рецессивы были замещены их благоприятными доминантными аллелями, вряд ли значительно превысила бы 5 %, что существенно ниже прибавки, получаемой при гетерозисе. В настоящее время полагают, что причин возникновения гетерозиса много. Одной из них, по гипотезе В. А. Струнникова, является формирование компенсационных комплексов генов. Суть состоит в том, что у особей, подвергшихся действию неблагоприятных генетических факторов в результате инбридинга и испытывающих глубокую гибридную депрессию, возникают хорошо скоординированные комплексы доминантных генов, главным образом в гомозиготном состоянии, которые компенсируют или погашают отрицательное действие указанных факторов. Например, если вести отбор на увеличение жизнеспособности в линии, несущей полулеталь в гомозиготе, жизнеспособность может увеличиться почти до нормы. В гибридах F1 с участием этой линии сохраняется одна доза достаточно скоординированных генов комплекса, в то время как депрессирующее действие полулетали не проявляется в связи с переходом ее в гетерозиготное состояние. Накопление продукта большого числа благоприятных генов, теперь не ослабляемых полулеталью, приводит к резкому повышению жизнеспособности и мощному развитию тех признаков, которые в исходной линии были депрессированы. В F2 компенсационный комплекс генов распадается и гетерозис не проявляется.
Остановлюсь подробнее на прививках одних растений на другие, примеры которых также имели место быть в данной главе. В настоящее время химерные формы растений, привитые друг к другу, не считаются вегетативными гибридами. Ведь при прививках не происходит слияния клеток и объединение генотипов, поэтому такие изменения не могут передаваться по наследству. Различие в способности прививаться к друг другу объясняются тем, что в зоне контакта тканей привоя и подвоя должна сформироваться каллусная ткань, обладающая тотипотентностью, что происходит далеко не всегда.
Тотипотентность – свойство клетки реализовать генетическую информацию, обеспечивающую её дифференцировку и развитие до целого организма. Она реализуется при заживлении ран. В этом случае на раневой поверхности растений в результате неорганизованной пролиферации клеток происходит развитие каллуса («толстая кожа, мозоль»). Также, как отмечалось выше, образование каллуса можно наблюдать при прививках в местах срастания привоя и подвоя. Каллус способствует заживлению ран и первоначально состоит из недифференцированных клеток, начало которым на раневой поверхности дают клетки тканей, способные к дедифференциации (камбий, флоэма, молодые клетки ксилемы). Впоследствии в каллусе может иметь место вторичная дифференциация с образованием специализированных тканей и органов. Однако растения ряда систематических групп тотипотентность не проявляют, дедифференцировка не происходит и прививки не приживаются.Например,ввиду высокой специализации клеток многие однодольные утратили способность к раневой реакции.
Переход специализированных клеток к эмбриональным синтезам, последующему делению с образованием недифференцированных клеток, а затем и к повторной дифференциации осуществляется под действием регуляторов роста и развития – фитогормонов. Фитогормоны – это химические соединения, которые вырабатываются в микроколичествах в одной части растения и транспортируются в другие части, где функционирую в клетках-мишенях, проявляют регулирующее действие на процессы роста и развития. Весь жизненный цикл растения, начиная от оплодотворения и заканчивая отмиранием, происходит при участии фитогормонов. Один из них – ауксин. Я думаю, что вы знакомы с ним, так как этот термин ввели именно вы. Но в настоящее время помимо значения ауксина, описанного вами («он транспортируется от верхушки растения вниз и вызывает изгиб злаков при одностороннем освещении») установлено, что он играет важную роль в ростовых процессах, а также в процессах регенерации при размножении каллусных клеток. Другой класс фитогормонов - гибберелины - стимулирует рост в фазе деления клеток, стимулирует переход клеток из фазы G1 в S-период. Цитокинины стимулируют деление клеток, наступление митозов, стимулируют рост каллуса, а ингибируют рост абсцидиновая кислота и этилен. Поэтому несоответствие в уровне и наборе фитогормонов является одной из причин несовместимости растений при прививках.
При дедифференцировке происходит вхождение клеток в клеточный цикл, что происходит не всегда синхронно. После зарастания раны необходимо восстановление разрушенных элементов проводящей системы. Каллусная ткань характеризуется гетерогенностью по клеточному составу, она содержит паренхимные, меристематические, некротические, а также отдельные клетки проводящей системы. Дифференциация элементов проводящей системы – ксилемы и флоэмы- видоспецифична и органоспецифична, поэтому при кардинальных различиях этих систем привики отторгаются. Экспериментальное доказательство влияния ауксина на образование элементов проводящей системы в каллусе было выполнено французским ботаником Камусом в 1949 г. Он прививал маленькие почки – источники синтеза ауксина – на поверхность корня цикория и примерно через месяц наблюдалось образование сосудистых узелков и пучков.
Культуру каллусных тканей характеризует и цитогенетическая гетерогенность . Клетки могут иметь разную плоидность, плоидность отдельных клеток в разных условиях может изменяться. Установлено, что примерно в 90 % из числа изученных покрытосеменных растений в процессе дифференцировки клеток происходит их полиплодизация (бобовые, посленовые). Этот факт также служит препятствием для нормального деления клеток в области сращения.
Различия реципрокных прививок в опытах Сажрэ и Тауна детально освещены в работах замечательного русского ученого Мичурина. В них он указывает на причину таких отличий: существует особая важность того, какая корневая система будет обеспечивать питание химерного растения. Поэтому некоторые виды растения, например, р.Robinia не могут нормально плодоносить на чужом корне, так как в данном случае вступает в действие отторжение на физиологическом уровне, несовместимыми оказываются в целом физиологические системы привоя и подвоя. Такая несовместимость может проявляться в одном направлении, так как определяющим фактором являются особенности подвоя, который оказывает комплексное влияние на привой.
Хочется отметить, что в вашей работе приводилось краткое описание приемов, которыми руководствовались натуралисты XIX века. В своем письме я не мог не затронуть вопроса о современных методиках, с помощью которых стало возможно преодолеть естественные преграды, которые поставила нам природа. В свете новейших достижений генетики, цитологии, молекулярной биологии, селекции возникла область практического применения накопленных знаний – биотехнология. Проблемы гибридизации являются одними из ключевых задач биотехнологии, и поэтому в данной части своего подробного повествования я хочу остановиться на современных способах преодоления стерильности и получения гибридных растений.
Культивирование изолированных семяпочек используют для преодоления несовместимости у самонесовместимых видов и для преодоления несовместимости при отдаленных скрещиваниях путем совместного культивирования неоплодотворенных семяпочек пыльцы. При культивировании семяпочек у растений из цветков удаляют собственные пыльники, освобождают семяпочки вместе с плацентой (местом заложения и прикрепления семяпочек в завязи) и производят опыление стерильной пыльцой. Плацента стимулирует деление клеток зародыша и ядер эндоспермы. Использование такого метода было произведено опыление и получение жизнеспособных семян при самоопылении у самонесовместимых видов семейства маковых, кукурузы, а также при опылении чужеродной пыльцой при отдаленной гибридизации маковых, пасленовых, гвоздичных. Спонтанно развившиеся амфиплоиды с удвоенным числом хромосом обладали фертильностью. Среды при этом были обогащены аминокислотами, витаминами и обладали необходимым соотношением цитокининов и эуксинов.
Метод культуры опыленных семяпочек нашел применение при получении межвидовых гибридов хлопчатника (Gossipium arboretum × G.-hirsutum). При скрещивании гибридные зародыши развиваются только в течение 8-10 дней после опыления, затем гибнут. Для решения этой проблемы через 3 дня после опыления семяпочки, содержащие зиготы, вычленяют и культивируют отдельно. Через 5 недель зародыши полностью дифференцируются, а через 7 недель в 70-80 % семяпочек развиваются гибридные проростки.
При рассмотрении методов культивирования изолированных семяпочек и завязи подчеркивалась возможность использования этих методов для преодоления чужеродной несовместимости. Однако эти методы не нашли широкого применения при отдаленной гибридизации, как метод культуры изолированных зародышей.
С начала ХХ века получил развитие метод культуры изолированных зародышей, широко используемый в настоящее время для решения многих задач биотехнологии. Ханнигом проводились эксперименты (1904) по культивированию в асептических условиях практически зрелых изолированных зародышей крестоцветных на растворе минеральных солей и сахарозы. Они нашли свое применение для преодоления несовместимости при отдаленной гибридизации. Отдаленная гибридизация лежит в основе современного направления исследования - хромосомной инженерии, задача которого заключается в реконструкции геномов при создании генотипического разнообразия растений. Хромосомная инженерия – комплекс генетических методов, основанных на внутривидовой или отдаленной гибридизацией и направлено используемых для интеграции в геном культурных растений близкородственных или чужеродных геномов, отдельных хромосом, их фрагментов или отдельных генов.
Термин «хромосомной инженерии» в начале 70-х годов ХХ века ввел доктор E.Sears из Университета Миссури, проводивший исследования отдаленной гибридизации и анеуплоидии мягкой пшеницы.
Г-ном Лайбахом (1925) было продемонстрировано, что при вычленении зародышей из нежизнеспособных гибридных семян льна, завязавшихся в результате скрещивания двух видов Linum perenne × Linum austriacum, и культивирования их на фильтровальной бумаге или вате, были получены гибридные растения. Проведенные эксперименты по культивированию изолированных завязей растений показали определяющую роль околоцветника в развитии плода и семян. Для практических целей метод культивирования завязей применяют для преодоления несовместимости при межвидовой и межродовой гибридизации Brassica. Через 3-7 дней после чужеродных опылений завязи материнских растений изолируют и помещают на агаризованную среду. Через 3-4 недели культивированные зародыши вычленяют и переносят на среду для развития гибридного растения.
Исследования показывают, что в процессе эмбриогенеза после чужеродных скрещиваний происходят нарушения и замедление темпов деление гибридных клеток зародыша и эндосперма. Как правило, такие процессы более выражены при развитии триплоидного эндосперма, который в ещё большей степени угнетает развитие зависимого от него зародыша. В результате наступает ранняя гибель гибридных зародышей или происходит формирование нежизнеспособных семян. В связи с этим для получения гибридных растений необходимо своевременно изолировать гибридные зародыши от материнского растения. Культивирование изолированных зародышей как метод преодоления постгамной несовместимости применяется при получении межвидовых и межродовых гибридов у более 30 родов, в том числе многих цветочных и овощных культур, кормовых трав, зерновых злаков.
Выявлены комбинации межвидовых и межродовых скрещиваний, когда в результате опыления материнского растения чужеродной пыльцой происходит двойное оплодотворение, а затем в результате эмбриогенеза в клетках развивающихся зародыша и эндосперма хромосомы одного родителя постепенно элиминируют. Это приводит к формированию зародыша с гаплоидным набором хромосом. Генотип родителя, хромосомы которого элиминируют, вызывают гаплопродюсером. На основе гибридизации с гаплопродюсерами разработаны технологии получения гаплоидов у культурного ячменя, мягкой пшеницы, овса. Для получения гаплоидов у мягкой пшеницы и овса используют их гибридизацию с кукурузой, которая является гаплопродюсером по отношению к этим культурам. Из гаплоидных растений после обработки их колхицином получают гомозиготные растения и среди них осуществляют отбор по определенным признакам.
Огромных достижений удалось достичь путем развития технологии соматической гибридизации. В отличие от прививок при соматической гибридизации происходит истинное слияние структур особей, относящихся к разным видам, а именно протопластов. Протопласт – часть клетки, которая остается после удаления клеточной стенки.
Таким образом, соматическая гибридизация – это гибридизация в обход полового скрещивания, когда в качестве родительских используют неполовые, а соматические клетки. Термин «соматические гибриды» предложен немецким исследователем Георгом Мельхерсом, получившем в 1978 году соматические гибриды от слияния протопластов картофеля и томатов.
Различие между половыми и соматическими гибридами состоят в следующем. При половой гибридизации происходят слияния материнского и отцовского ядерных геномов при наличие только (в большинстве случаев) материнской цитоплазмы. При соматической гибридизации может происходить слияние не только ядерных геномов родительских генотипов, но и цитоплазматических геномов материнского и отцовского генотипов. Половые клетки имеют, как правило, гаплоидные числа хромосом, а соматические клетки, если они не изолированы у гаплоидных растений, имеют гаплоидное число хромосом. В связи с этим в результате соматической гибридизации должны развиваться амфиплоиды с восстановленной фертильностью.
В соматическую гибридизацию можно вводить генотипы растений отдаленных таксономических групп, которые не скрещиваются половым путем. Например, можно производить гибридизацию между разными семействами и даже царствами (клетки млекопитающих сливают с клетками растений). В результате соматической гибридизации можно быстро замещать цитоплазму одного вида растений на цитоплазму другого.
В результате слияния протопластов могут быть получены гомокарионы – продукты слияния генетически идентичных клеток и гетерокарионов – продукты слияния генетически неидентичных клеток. В случае, если при последующих делениях гибридной клетки хромосомы одного из диплоидных генотипов элиминируют, но сохраняются органельные геномы обоих родителей, то развитие получит диплоидный цибрид. Целенаправленное получение цибридов осуществляют путем облучения γ-лучами протопластов одного из родителей перед их слиянием с протопластами другого родителя. Ядро облученных протопластов инактивируется.
После слияния цитоплазма двух клеток смешивается. Далее происходит синхронное деление ядер без их слияния, а результате деления клетки – образование двуядерных дочерних клеток, или слияние ядер во время митоза и формирования одноядерных гибридных клеток.
В зависимости от степени филогенетического родства и ядерные, и цитоплазматические геномы соматических гибридных клеток могут быть стабильными и нестабильными. Так, при филогенетической отдаленности родительских генотипов в процессе последующего деления клеток может происходит элиминация хромосом одного из родителей. Например, для гибридной клеточной линии Glycine max + Nicotiana glauca (соя + табак) характерна элиминация хромосом табака. Кроме того, с первых клеточных делений у этой линии было обнаружено большое число нарушений в митозе, приводящих к образованию мостов, хромосомных фрагментов, кольцевых и нетипично длинных хромосом. Независимо от судьбы ядерного гибридного генома митохондриальный и пластидный геномы могут наследоваться как двуродительски, так и однородительски. Кроме того, имеют место процессы рекомбинации, приводящие к появлению рекомбинантных форм ДНК.
Таким образом, при слиянии протопластов растений разных таксономических групп барьеры несовместимости, характерные для половой гибридизации, могут не проявляться, что и приводит к образованию гетерокарионов. Однако в процессе клеточных делений несовместимость проявляется, что ограничивает возможности получения жизнеспособных гибридных растений на основе межсемейственной и межтрибной соматической гибридизации.
В результате слияния протопластов растений и клеток животных получены межцарственные гетерокарионы: (клетки человека + бобы), (клетки человека + табак). Деления таких гетерокарионов не происходит. При межсемейственной соматической гибридизации (соя + табак), (китайский табак + лук), (табак + бобы) получены гетерокарионы, которые дали клеточные линии, не проявившие способности к регенерации растений. Среди межродовых гибридов получены как симметрические гибриды, сохранившие оба родительских ядерных генома (Citrus sinensis + Poncitrus trifoliate), так и асимметрические, содержащие преимущественно хромосомы один геномов (Lolium + Festuca), (картофель +томат), (томат + пепино). Соматические межродовые гибриды – стерильные.
В результате соматической гибридизации получены фертильные амфиплоиды межвидовых гибридов табака, картофеля, баклажана, которые не удается получить при половой гибридизации.
Соматическая гибридизация применяется и для получения гибридных клеток животных. Известны гибриды соматических клеток человека и мыши, человека и китайского хомячка, где также происходит элиминация хромосом одного из видов. Такие гибриды применяются в том числе для картирования генов, когда среди всех хромосом одного вида остается только одна хромосома изучаемого вида.
Вопрос стерильности, репродуктивной изоляции неразрывно связан с проблемой видообразования и критерия вида. На сегодняшний день выделяется четыре способа видообразования: аллопатрическое (с разрывом исходного ареала вида определенным барьером), перипатрическое (на границе ареала), парапатрическое (на границе разных экологических зон) и симпатрическое (на одной территории). Но какой бы механизм мы не рассматривали, в каждом из них основополагающим процессом является изоляция. Первичная, территориальная, экологическая или временная, изоляция закрепляется вторичной – репродуктивной, что ведет к прекращению потока генов из популяции в популяцию. Сначала обособившиеся популяции еще могут скрещиваться друг с другом и имеют небольшие отличия по фенотипу, в том числе в репродуктивной системе, и, как вы правильно заметили «виды первоначально существуют как разновидности». Но при усилении изоляции случайные мутации, хромосомные перестройки накапливаются, не сверяются на совместимость, отбор подхватывает разные их сочетания или этот процесс случаен (дрейф генов), и через много тысяч или миллионов лет уже становятся несовместимыми (модель Меллера-Добржанского). Вы, уважаемый Чарлз Дарвин, правы, что стерильность, как дискретный признак не могла быть приобретена естественным отбором путем сохранения последовательных, благоприятных степеней стерильности, так как в большинстве случаев это чрезвычайно комплексная характеристика и регистрируется как факт далеко зашедшей дивергенции.
Отсутствие гибридизации между особями двух популяций, имеющих один или различные ареалы, является указанием на их различную видовую принадлежность. Но существуют случаи различной способности к скрещиванию даже отдельных особей внутри вида, а также примеры легкой гибридизации представителей различных таксонов, что указывает на важность, но не абсолютность репродуктивной изоляции как критерия вида. Только совокупность таких критериев, как морфологический, генетический, эколого-географический и репродуктивный, позволяет точно выяснить видовую принадлежность живого организма. В большинстве случаев именно изучение кариотипа позволило прояснить проблему, с которой столкнулись превосходные ботаники вашего времени, как Гертнер и Кельрейтер.
На этом я заканчиваю свое письмо. Целью своего повествования я ставил желание познакомить вас как можно более подробно с современным состоянием науки по вопросу гибридизации. К сожалению, не в моих силах описать все то новое, что было открыто с момента выхода в свет вашей книги. Боюсь, для полного понимания изложенных проблем и терминов вам потребуется изучение соответствующих трудов по современной генетике, цитологии, молекулярной биологии. К тому же я сознательно не касался вопросов получения гибридов животных, так как это отдельная огромная область науки. Но я уверен, что мой емкий труд найдет положительный отклик с вашей стороны.
С уважением, Александр Иляскин, студент 544 гр. ФЕН НГУ
Google Sites
Report abuse