Наталья Ситникова

«Происхождение видов» - главный труд Чарльза Дарвина, опубликованный в 1859 году, даже спустя (150) лет не теряет своей актуальности, а над вопросами, поднятыми Дарвином на основании в основном зрительных наблюдений, продолжают трудиться и сейчас, используя все доступные способы исследования и проведения экспериментов. В связи с этим находятся подтверждения выводов, сделанных Дарвином, с объяснениями на более глубоком организационном уровне.

Чарльз Дарвин проводил эксперименты и собирал информацию для своей книги в течении более чем 20 лет, чтобы привести убедительные доказательства естественного отбора, и одна из глав книги посвящена вопросу гибридизации и стерильности гибридов. Рассмотрим эту главу подробнее.

Вопросы, которые Дарвин задавал сам себе при написании данной главы сводятся всего к трем:

· Является ли стерильность заложенной изначально для предотвращения скрещивания между разными видами или последствием других различий при скрещивании?

· Каковы законы стерильности?

· Каковы причины стерильности?

При попытке ответа на эти вопросы, он использует результаты скрещиваний Кельрейтера и Гертнера среди растений и приводит многочисленные примеры, в которых встречаются различные случаи: виды, скрещивающиеся с большим трудом, но дающие жизнеспособные, фертильные гибриды, виды, хорошо различающиеся, при этом легко скрещивающиеся, но дающие при этом мало гибридов, абсолютно стерильных. Но встречались и виды, которые при скрещивании давали потомство с избыточной фертильностью – так называемое явление гетерозиса.

Отсюда, а также из других рассуждений, которые я не буду приводить здесь, Дарвин делает вполне обоснованные выводы о том, что фертильность представляет собой градацию от нуля до полной или даже превышающей степени, замечая при этом, что эта градация сильно зависит от влияния внешних условий, а также не всегда корелирует по степени между первым скрещиванием и гибридами. Он также отмечает, что легкость первого скрещивания видов не всегда зависит от их родства и схожести между собой, что доказывается различиями при реципрокных скрещиваниях.

Все это приводит к тому, что стерильность не может быть заложена изначально, иначе откуда такие сильные различия, а значит возникает как побочный эффект скрещивания при это весьма случайным образом.

Причинами возникновения стерильности на тот момент Дарвин смог только морфологическую и экологическую составляющие. Первая заключается в различии половых систем у исходных видов и нарушении или полном расстройстве этих же систем у гибридов, созданные соединением двух разных форм, а вторая – в влиянии внешних условий и скрещиваниях в условиях неволи.

Мы же на данный момент можем назвать и другие причины, бывшие недоступными для выявления ранее: цитологические и генетические.

К числу первых относится ядерно-цитоплазматическая несовместимость, которая появляется из-за влияния друг на друга ядерного и митохондриального/хлоропластного геномов. При образовании зиготы в ядерном геноме происходит смешение генетического материала обоих родительских видов, а цитоплазматический геном чаще передается только от материнского организма. Таким образом, при скрещивании отдаленных видов осуществляется взаимная регуляция геномов: антероградная – при влиянии ядерного генома на цитоплазматический и ретроградная – при влиянии генома митохондрий и хлоропластов на ядерный. В связи с этим появляется и объяснение в различии фертильности реципрокных скрещиваний – при скрещивании мужской особи первого вида с женской другого оказывается отрицательное взаимное влияние геномов, что может приводить к нарушениям развития клеток, функционирования ядерного генома, невозможности проведения митоза, а при обратном – цитоплазматический геном оказывается более совместим с ядерным и появляются гибриды.

Частый пример такого конфликта – цитоплазматическая мужская стерильность многих видов покрытосеменных растений, обусловленная химерными последовательностями митохондриальной ДНК и изменениями функционирования ядерных генов, контролирующих развитие цветка и пыльцы.

Другой пример несовместимости находится в аллоплазматических линиях гибридов, у которых в зависимости от комбинации выявляются различные нарушения развития. При этом в таких линия возможно восстановление фертильности за счет обратного скрещивания с отцовской формой для замещения митохондриального и хлоропластического геномов.

Один из таких примеров восстановления фертильности приводится в статье [1] при изучении аллоплазматической линии мягкой пшеницы(Triticum aestivum) на цитоплазме культурного ячменя(Hordeum vulgare). Для восстановления фертильности различной степени авторы статьи используют разные виды мягкой пшеницы, при замещении которыми наблюдаются изменения определенных районов ячменного генома митохондрий и хлоропластов. Обеспечивается это полигенной системой ядерных Rf-генов (fertility restorer), локализованных на различных хромосомах пшеницы, или действием генов scs (species cytoplasmic specific) и Ncc (nuclear cytoplasmic compatibility), которые переносятся в ядерный геном пшеницы от материнского вида (донора цитоплазмы). [1]

Генетические же причины в первую очередь вызваны различиями в геномах двух разных видов - начиная от количества хромосом и заканчивая наличием различных аллелей и хромосомных перестроек, которые при совмещении дают неблагоприятный эффект.

При совмещении двух различных геномов могут получаться гибриды, но они будут стерильны из-за нарушений в мейозе. Даже если два вида будут иметь одинаковый гаплоидный набор, хромосомы, давно дивергировавшие, не определяют друг друга как гомологи, и спаривания между ними не происходит совсем. Или же может происходить частичное спаривание с образованием мультивалентов и их дальнейшем нерасхождении или расхождениями с возникновением делеций, инверсий, транслокаций.

Решение этой проблемы было давно найдено из предположения о том, что если каждого генома в организме будет две копии, то гомологичные хромосомы смогут спокойно спариться и правильно разойтись. Подтверждение этому привел отечественный генетик Карпеченко, создавший фертильный аллотетраплоидный гибрид - Raphanobrassica из стерильного гибрида капусты (Brassica oleracea) и редьки (Raphanus sativus) путем обработки последнего колхицином. Но как обеспечивается сцепление именно гомологичных хромосом, а не гомеологичных в таком случае?

В статье 2006 года в журнале Nature авторы – Griffiths S., Sharp R. и Foote T.N. обнаружили локус Rh1 у пшеницы, который контролирует механизм подавления гомеологичной рекомбинации. При наличии этого гена происходит модификация гистоновых белков – появление в них дефекта, который способствует задержке деконденсированного состояния хромосом в профазе I мейоза, где происходит узнавание, сцепление и рекомбинация. Влияние локуса Rh1 ограничивает по времени процесс выравнивания и конденсации, тем самым обеспечивая сцепление преимущественно гомологов.

По всей видимости именно наличие данного локуса способствует существованию природных аллотетраплоидных видов пшеницы - T. Dicoccoides, а наличие подобного же локуса у других видов – образованию других диких аллотетраплоидов, например секвойи и многих цитрусовых.

При получении гибридов генетические изменения, приводящие к стерильности могут подходить под концепцию «генетического шока», предложенную впервые Барборой Макклинток в 1984 году, и вызываться действием мобильных элементов в ответ на стресс – отдаленную гибридизацию. Под «генетическим шоком» понимают увеличение активности молодых транспозонов, которая носит избирательный характер (по статье 2010 года, Parisod C., Alix K., Just J ), и также элиминацию транспозон-ассоциированных ПЦР-фрагментов одного из родителей, что связано с делециями или другими перестройками данных участков. Считается, что эти процессы приводят к быстрым генетическим и эпигенетическим изменениям в геноме образованного гибрида – уменьшение генома и потеря генов вследствие элиминации или изменение экспрессии генов. Например, у аллотетраплоида Spartina anglica (2n = 124) элиминировали фрагменты материнского происхождения (Parisod et al., 2009).

Активация же транспозонов могут влиять на экспрессию различных генов ( в том числе, контролирующих развитие половых систем), путем встраивания в кодирующую или регуляторную часть гена – прямое влияние, либо в непосредственной близости от гена, что приводит к изменению упаковки хроматина, но не изменяет первичную структуру ДНК – эпигенетическое влияние.

Эпигенетические процессы в основном связаны с метилированием ДНК и модификацией гистоновых белков, при этом показано, что демитилирование ДНК запускает транскрипцию тех белков, которые участвуют в переносе мобильных элементов в геноме. Эпигенетические влияния сейчас активно изучаются и еще не вполне можно сказать о точном их действии, но имеются примеры, как в статье журнала Cell Cycle 2008 года, о том, что один из вариантов гистоновых белков – H3.3 связан с эпигенетической памятью – активацией участков гена при ядерной трансплантацией эмбриона Xenopus у реципиента.

Но вернемся к изначальным причинам возникновения стерильности, среди которых были упомянуты хромосомные перестройки. Сами по себе хромосомные перестройки могут присутствовать в геноме вида и не препятствовать его фертильности и даже привносить положительное влияние – исключать кроссинговер с сохранением выгодных комбинаций генов. Почему же тогда их наличие приводит к появлению стерильности у гибридов?

Как мы выяснили на лекциях по эволюции, одной перестройки для появления стерильности недостаточно – их должно быть как минимум две. Каждая из них появилась у двух рассматриваемых видов уже после их дивергенции и не несет отдельно отрицательных эффектов, но при их совмещении мы получаем, опять же, нарушения в мейозе, связанные с взаимодействием и расхождением этих транслокаций, и инактивацию каких-либо генов, которые у родительского вида присутствуют в двойном объеме и поэтому работают, а у гибрида – только в хромосоме с перестройкой, и не работают.

Впрочем, не во всех случаях даже наличие перестроек приводит к стерильности. По данным статьи в Журнале Evolution за 2011 год при изучении гибридизации между расами Бурозубок (S. Аraneus), которые свободно скрещиваются , что может объясняться их недавним расхождением, и разных видов S. araneus и S. Antinorii, имеющих в своих геномах различающиеся хромосомные перестройки, которые не несут отрицательного влияния на фертильность, а невозможность образования гибридов может объясняться другими механизмами.

Но все же в большинстве случаев мы видим, что уже существующие хромосомные перестройки препятствуют гибридизации, а следовательно и образованию гибридов между видами. Но также стоит отметить, что образование хромосомных перестроек при «удачной» гибридизации двух видов и фертильности их гибридов может поспособствовать видообразованию с дальнейшим накоплением различий с родительскими видами и репродуктивной изоляции с ними.

Таким образом, большинство выводов по гибридизации, сделанных Дарвином подтверждается нынешними исследованиями и объясняется молекулярными механизмами. Нам остается только удивляться его наблюдательности и мышлению, позволившим провести такой анализ без познаний в глубоком строении клеток и механизмов, в них протекающих.

Ссылки:

[1] - ЯДЕРНО-ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ И СОСТОЯНИЕ РАЙОНОВ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ И ХЛОРОПЛАСТНОЙ ДНК У АЛЛОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ РЕКОМБИНАНТНЫХ И ИНТРОГРЕССИВНЫХ ЛИНИЙ (H. vulgare)—T. Aestivum © 2014 г. Л. А. Першина12, Н. В. Трубачеева1, М. Г. Синявская3, Э. П. Девяткина1, Л. А. Кравцова1

[2] - http://www.bionet.nsc.ru/vogis/?wpfb_dl=836

[3] - http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1558-5646.2011.01478.x/full

[4] – О. Э. Костерин - Основы Генетики