диплом

http://leo-mosk.narod.ru/diplom.html

http://www.leo-mosk.narod.ru/works/1972_diplom.htm

Необыкновенная обыкновенная землеройка – обратного пути аллогенезу нет, это путь в никуда, и только человек его избежал

– курсовая работа, как она была написана и защищена в 1971 году. Исправлены только некоторые запятые да и то невпопад. Что такое «сперматогениальных метафаз», я так и не узнал с тех пор. Помню только, как упивался игрой с хромосомами – печатал их на стене с огромным фотоувеличением, измерял вдоль всех извивов, вырезал и взвешивал. Результат был тождественно одинаков. Как ни меряй, что положено согласно эволюционному состоянию вида, так и получится в оцифровке.

Интерес к хромосомам подогрели беседы с выдающимся герпетологом, отверженным в научной среде Богдановым. Он появился в Кавказском заповеднике с выводком очаровательных кубанских казачек из Краснодарского университета. Моих бурозубок на Кавказе не оказалось, но именно эта командировка оказалась чрезвычайно плодотворна – в беседах с Богдановым я пришел к выводу о необратимых путях эволюции млекопитающих с редукцией числа групп сцепления. Алик Козловский злился, но без меня ему было трудно одному устраивать ловчие канавки в скальных породах и потом их проверять каждую ночь. Мне материала досталось мало и осенью я уже один с тяжеленной лабораторной центрифугой в рюкзаке отправился обратно на Тульский стационар Института полиомиелита. Там с весны прошли большие перемены, жизнь и работа уже не кипели – вообще не было никого, всех сократили. Качественно оборудованную стерильную лабораторию в бывшем медсанбате просто бросили на произвол судьбы, сократив даже конюха и почему-то оставив лошадь. Там очаг геморрагического нефрозо-нефрита, переносимого красной полевкой. Собирать ночью живность и затем по нескольку часов без сна делать хромосомы было тяжеловато. Материала набрал много, остались и тушки с черепами и препараты хромосом, мейотические и митотические. Ночные приключения были очаровательны. Один раз в ловушку попалась крыса – не ласково-безответная лабораторная, а настоящий дикий мини-тигр. Она бросалась на корнцанг и лязгала о металл зубами, пока не удалось ее ухватить выбросить далеко-далеко. В другой раз в ловушке развернулась война землеройки и крупной жужелицы. Жук успел выпустить жгучую струю мне в глаз. Наиболее впечатляющим был случай где-то под четыре утра, когда я уже после трудов праведных забрался в теплый спальник в бывшей ленинской комнате медсанбата и услышал густой, тяжелый и безнадежный мат. Людей в принципе не должно было быть в округе на десятки километров. Вылезать и обнаруживать себя не хотелось. Когда все же это произошло, я никогда не видел таких счастливых людей: компания грибников оторвалась от жен, приняла хорошую дозу и на автопилоте дорожка привела их внутрь территории медсанбата, где они наворачивали круги вдоль забора, безнадежно потеряв выход. Я в последний раз сыграл роль Сусанина к обоюдному удовлетворению.

Спустя почти сорок лет, 22.06.09, сотрудник ИПЭЭ Виктор Николаевич Орлов выступил в ББА наV съезде ВОГиС с докладом «Направленные процессы уменьшения числа групп сцеплений в эволюции млекопитающих». Задачей съезда стала дележка денег без редактора журнала «Генетика» Георгия Павловича Георгиева. Однако нашлись люди – точнее, один Виген Геодакян – кто воспринял съезд всерьез и пришел туда с истиной, отвергаемой научным сообществом хуже Богданова. В нашей беседе В.Орлов сообщил, что за сорок лет так и не было обнаружено промежуточных форм Microtus arvalis иM.subarvalis, как и не обнаружено морфологических различий, они сосуществуют в частности на территории Звенигородской биостанции (ЗБС) – дал на свою голову молодой преподаватель порисовать хромосомы студентам-генетикам из группы, где учились Елена Лозовская и Борис Лейбович. Но студента Льва Московкина, который в 1971 году сделал под его руководством курсовую работу о лавинообразной редукции числа групп сцепления у Sorex araneus, он «помнит, но смутно».

Внимание вопрос: как же он запомнил вывод студента и где бы был этот чертов студент, т.е. я, простите, если б не побывав дворником в Консерватории, сторожем в ВНИИ Биотехнологии, потаскав шпалы на Северной ж.д. не стал бы парламентским корреспондентом?

Разумеется, я сам виноват. Когда Виктор Николаевич интеллигентно спросил меня – можно ли что-то опубликовать – заниженная самооценка не позволила мне дать утвердительный ответ.

Кстати, мой научный руководитель на дипломе – Нина Николаевна Орлова, урожденная Визжилина – однофамилец, она была женой другого Орлова на кафедре зоологии позвоночных, сына знаменитого палеонтолога. В моей памяти он остался только в роли экзаменатора некой Фаузии, которая тащила в лес на глазах у всей группы для чистой конкретики Женю Ананьева, но пришлось сдавать экзамен на терраске мамонтовского дома ЗБС в дымину пьяному сыну палеонтолога. Единственная истина прозвучала под влиянием алкоголя: вы дурра! Она доказывала – я не дура, не дура.

Какая разница, если хромосомы всю правду скажут и от этого ни за какой диссер не спрячешься?

Женя стал автором открытия МДГ, так тщательно научил его работать с хромосомами Виктор Миронович Гиндилис, дал площадку исследований и обобщил Владимир Алексеевич Гвоздев и обеспечил информационную поддержку Роман Бениаминович Хессин-Лурье.

Были в нашей генетике и такие люди. Если это кто-то прочитает, единственное, о чем хотелось бы попросить бедолагу – относиться к тексту по возможности адекватно: это не кандидатская диссертация и не докторская колбаса, а курсовая работа одного из тысяч студентов,отмеченного лишь тем, что он очень любил учиться.

Фотографии и рисунки см.: позже

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра генетики и селекции

Цитологическое исследование Землеройки-бурозубки обыкновенной

Sorex araneus Linnaeus

(Mammalia, Insectivora)

Курсовая работа студента IV курса Л.И.Московкина

Научные руководители:

ассистент, кандидат биологических наук В.Н.Орлов

аспирант А.И.Козловский

Москва, 1971г.

РЕФЕРАТ

В данной работе сделана попытка цитологического исследования митоза и мейоза у Sorex araneus Linnaeus, по сведениям других авторов, являющегося весьма интересным в эволюционно-цитогенетическом аспекте, т.к. у данного вида обнаружены следующие аномалии:

а) множественные половые хромосомы, часть из которых возможно аутосомного происхождения;

б) широко распространенный внутрипопуляционный полиморфизм с изменением диплоидного числа от 20 до 30 у самок и от 21 до 31 у самцов, за счет центрических слияний без выраженной репродуктивной изоляции (при постоянном числе плеч: NF=40);

в) наличие вида-двойника, Sorex gemellus Ott, идентичного морфологически и имеющего похожий кариотип.

В работе приведено 19 ссылок и 12 рисунков.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Объектом настоящего исследования является вид, перспективный в эволюционно-цитогенетическом аспекте, обладающий некоторыми сравнительно редко встречающимися аномалиями кариотипа. Изучение хромосом обыкновенной бурозубки, возможно прольет свет на некоторые формы эволюции кариотипа. С цитологической точки зрения объект весьма удобен, т.к. имеет небольшое число идентифицируемых хромосом. К сожалению, существуют определенные трудности в работе данным объектом в связи с невозможностью содержания в лабораторных условиях даже в коротких промежутков времени (из-за весьма своеобразной физиологии данного вида).

Вплотную к цитогенетическому изучению обыкновенной бурозубки впервые приступил Бовей (Bovey, 1949) и сразу же обнаружил необычное строение кариотипа у двух половозрелых самцов, пойманных в марте-апреле в Швейцарии. При изучении сперматогениальных метафаз обнаружилось нечетное диплоидное число, равное 23 у обоих самцов. Основываясь на рабочей гипотезе о XX – X0 системе определения пола, автор произвел тщательную раскладку кариотипа, но вместо ожидаемых одиннадцати пар получилось только десять. Три хромосомы оказались явно непарными: один довольно крупного размера метацентрический элемент и два акроцентрических, большой и маленький. Изучение редукционного деления показало образование тривалента, составленного, возможно, тремя непарными элементами кариотипа. Изучая стадию пахитены (используя для большей достоверности метод окраски фуксином по Фельгену) автор пытается установить природу происхождения каждого элемента. На этой стадии хорошо виден гетеропикнотический пузырек половой пузырек. Его структура не была видна, но зато отчетливо прослеживалась связь с аутосомным бивалентом. (см. схему на рис. 2). На некоторых препаратах пузырька не было, вместо него прослеживалась гетеропикнотическая нить, напоминающая комплекс половых хромосом у других млекопитающих, например, у белозубки Crocidura russula, но в случае землеройки опять отчетливо прослеживалась связь гетеропикнотической нити с аутосомным бивалентом.

Для детального изучения стадий диплонемы и диакинеза автор не располагал достаточным материалом, но можно все же заметить, что в диплонеме часть тривалента гетеропикнотична.

При наблюдении метафазы редукционного деления выявилось константное строение тривалента и даже его ориентация в метафазной пластинке, расположение элементов по отношению друг к другу всегда одинаково и ориентация метацентрической хромосомы своей центромерой к одному полюсу, а обеих акроцентрических хромосом к другому. При этом маленький акроцентрик конъюгирует с крупному метацентрическим элементом по обычному для половых хромосом типу «конец в конец». Большой акроцентрик также конъюгирует с метацентрическим элементом, но с другим его плечом и по всей его длине, с образованием как правило двух хиазм. Такой тип конъюгации (соматическая конъюгация) является нехарактерным для половых хромосом (см. рис. 1). Так, у 45 видов различных животных, в том числе 35 видов млекопитающих, известна конъюгация половых хромосом по типу «конец в конец», или в некоторых случаях отсутствие конъюгации (White, 1954; Darlington, 1965).

Что же касается ориентации полового мультивалента в метафазе редукционного деления обыкновенной бурозубки, то это не единственный описанный в литературе случай. Она отмечалась также в случае множественных половых хромосом у самца Blaps mucronata, имеющего систему определения пола X₁X₁X₂X₂X₃X₃ – X₁X₂X₃Y(Lewis and John, 1957). У этого вида расположенные случайным образом элементы пахитенного мультивалента к метафазе переориентируются так, что все три X-хромосомы своими центромерами направлены к одному полюсу, аY-хромосома – к другому. При этом между X₁ и Y хромосомами наблюдается конъюгация «конец в конец», а междуX₂, X₃ и Y хромосомами – редко встречающийся тип дистанционной конъюгации.

Но вернемся к фундаментальному труду Бовея. Автор обнаружил, что описанная выше ориентация полового тривалента происходит в момент образования метафазной пластинки. Десять аутосомных бивалентов показывают при этом обычное поведение. Что касается поведения хромосом в эквационном делении, то четких результатов здесь нет (так же, как и для диплотены и диакенеза, из-за недостатка материала), но автору удалось наблюдать несколько фигур метафазы второй, состоящих из 11 или 12 диад.

Нечетному диплоидному набору самца с тремя половыми хромосомами могут соответствовать две системы определения пола: X₁X₁X₂X₂ – X₁X₂Y (известная для Mus minutoides) и XX – XY₁Y₂(известная для нескольких видов семейства Phillostomatidae chiroptera). Бовей не располагал данными о кариотипе самки и поэтому не имел возможность установить, какая из двух систем реализуется в данном случае. В работе 1949 года он обсуждает две альтернативных гипотезы.

Предположение 1 основано на реализации у бурозубки X₁X₁X₂X₂ – X₁X₂Y системы определения пола. В этом случае автор считает, ч то между исходной X-хромосомой и одной из аутосом произошла реципрокная транслокация, при этом исходная Y-хромосома утрачивается (либо исходной системой определения пола могла быть не XX-XY, аXX-X0). Полученные две новые хромосомы, составленные частично из материала X хромосомы, частично из аутосомного материала, становятся двумя X хромосомами, вовлекая в комплекс половых хромосом гомолог транслоцированной аутосомы, ставшей Y-хромосомой. Все три вновь полученные половые хромосомы образуют в мейозе тривалент.

Предположение 2. (рис. 3), основанное на XX – XY₁Y₂ системе определения пола, автор считает значительно более вероятным. В этом случае также предполагается транслокация на исходную X-хромосому одной из аутосом, при этом реципрокный фрагмент достаточно мал и утрачивается. Аутосома, гомологичная транслоцированной, вовлекается в комплекс половых хромосом и становится Y₂ (или, как ее обозначил Бовей, Y_a-хромосомой). ИсходнаяY-хромосома (или Y₁) и часть новой X-хромосомы, принадлежавшая исходной X-хромосоме, ведут себя обычным для половых хромосом образом, т.е. находятся в гетеропикнотическом состоянии в профазе редукционного деления и конъюгируют в метафазе и диакинезе по типу «конец в конец». Y₂-хромосома конъюгирует с гомологичной ей частьюX-хромосомы по соматическому типу, т.е. по всей длине, образуя хиазмы. Если это предположение справедливо, то должна наблюдаться устойчивая связь полового пузырька и аутосомного бивалента в пахитене (это явлением и имело место на самом деле).

Автор считает, что первая гипотеза маловероятна, т.к. случае ее реализации должна быть отмечена соматическая конъюгация между всеми тремя элементами полового мультивалента, чего на самом деле не наблюдалось.

Выводы, сделанные Бовеем, частично были подтверждены данными Sharman (1956), полученными на материале костного мозга и семенников четырех самцов и костного мозга двух самок, отловленных в Букленде, Беркшире и Северном Уэльсе. Им подтверждено наличие у самцов полового тривалента и показано также отсутствие в женском кариотипе двух акроцентрических элементов, входящих в состав полового тривалента у самца и наличие в парном состоянии метацентрического полового элемента. Таким образом была доказана реализация у землеройкиXX – XY₁Y₂ системы определения пола. Аналогичное определение пола обнаружено у Potorous tridactylis (Marsupialia) (Sharman and Barber, 1952), и Gerbillus gerbillus gerbillus (Wahrman and Zahavi, 1955).

Кроме того, автор показал, что множественные половые хромосомы Sorex araneus – не единственный сюрприз, предоставленный нам этим очаровательным зверьком. Диплоидное число не было постоянным, а варьировало в пределах от 22 до 25 у различных особей (естественно за счет аутосом, число половых хромосом оставалось постоянным – две у самки и три у самца). Данное явление автор объясняет на основе предположения, которое White назвал робертсониановским, или центрическим слиянием, когда каждая из некоторых пар аутосом может находиться в одном из трех состояний:

1. одна пара метацентрических элементов;

2. две пары акроцентрических элементов;

3. либо, наконец, один мета- и два акроцентрических элемента (при постоянном числе плеч NF^a=36). За исключением одного недостаточно четкого наблюдения на одном виде песчанок (Wahrman and Zahavi, 1955), подобный внутрипопуляционный полиморфизм для млекопитающих ранее не был известен, хотя достоверно встречается в других группах животных.

В следующей работе с участием того же автора данное явление было изучено более полно на материале 42 особей, пойманных летом 1956 года (Ford, Hamerton and Sharman, 1957).

В этой работе проведено идиограммированние, четко показавшее полиморфизм по всем трем парам аутосом – 6-й, 7-й и 8-й. Всего, таким образом, возможно 3³=27 вариантов кариотипа, число плеч при этом остается постоянным. 15 из этих 27 типов были найдены в природной популяции. Была предпринята попытка показать наличие или отсутствие репродуктивной изоляции между особями с различными кариотипами методом проверки соответствия частот встречаемости различных цитологических типов распределению Харди-Вайнберга при условии панмиктичности полиморфной популяции, т.к. подобная ситуация формально эквивалентна системе с альтернативными генами в каждом из трех локусов. Хотя точного соответствия опытных данных рассчитанным по формуле не получилось, выраженной репродуктивной изоляции видимо нет. Попытки авторов объяснить недостаток гетерозигот по 6-й хромосом известной пространственной разобщенностью, а избыток гетерозигот по 7-й и 8-й парам их селективным преимуществом перед обоими гомозиготами кажутся надуманными (хотя первое предположение вполне вероятно) из-за малой величины выборки. Во всяком случае, прежде чем делать какие-то выводы, авторам следовало бы оценить вероятность случайного отклонения полученного распределения от теоретического методомχ-квадрат. Однако лучшее доказательство отсутствия репродуктивной изоляции между особями различных цитологических типов было дано другими авторами – Matthey and Meylan (1961). В этой работе на материале двух беременных самок, пойманных в Бретоле, было показано, во-первых, различие кариотипов эмбрионов in utero по робертсониановским перестройкам и, во-вторых, наличие полиморфизма не только по 6-й, 7-й и 8-й, но и по 5-й и 9-й парам хромосом. В данном исследовании эмбрионы одной самки имели диплоидные числа, равные 28, 29 и 31, а новорожденные другой – соответственно 28. 29, 30 и 31. Забегая вперед, укажем, что впоследствии в полиморфном состоянии была найдена также и 4-я пара, так что при постоянном числе плеч NF^a=36, диплоидное число может изменяться от 20 до 32 у самок и от 21 до 33 у самцов. При этом принципиально возможно всего 3⁶=729 цитологических типов.

Очередной сюрприз Sorex araneus преподнесла исследователям, когда Мейланом было обнаружено наличие идентичного морфологически, но отличающегося кариотипически вида-двойника (Meylan, 1964). Половые хромосомы те же XY₁Y₂, однако он существенно отличается числом плеч NF^a=40 (NF=44). При этом наблюдается репродуктивная изоляция двух форм при симпатрии ареалов. Форма с NF^a=40 впоследствии была выделена в самостоятельный вид Sorex gemellus Ott (Ott, 1 968). Кроме того, Мейлан наблюдал мейоз у особей, гетерозиготных по 4-й паре хромосом, причем число элементов в диакинезе было таким же, как у гомозигот с обоимиметацентрическими хромосомами в 4-й паре, из чего делается вывод о наличии аутосомного тривалента. И только в одном случае наблюдалась фигура, достаточно четко интерпретируемая как тривалент.

В пределах нашей страны землеройка исследована кариологически из следующих точек:

а) АБС «Чашниково», где у 13 особей диплоидное число было равным 21 у самцов и 20 у самок, NF^a=36 без полиморфизма (Орлов, Аленин, 1968);

б) Кемеровская популяция, также мономорфная, но с большим числом хромосом, чем московская (Орлов, Козловский, 1969);

в) Иркутская популяция, где две особи, самец и самка, показали соответственно 25 и 27 хромосом (Козловский, 1969).

В свете всего вышеизложенного мне казалось бы чрезвычайно интересным продолжить цитологическое исследование этого необыкновенного вида (воистину этот зверь был специально создан на радость цитогенетикам), поставив следующие задачи:

а) исследовать кариологически представителей еще из одной точки Советского Союза;

б) проверить, с какой точностью возможна идентификация хромосом Sorex araneus для большей достоверности различных теоретических построений относительно происхождения и эволюции данного вида;

в) продолжить исследование мейоза, начатое другими исследователями, попытавшись показать способ расхождения тривалентов в редукционном делении.

Нельзя сказать, что данная работа дает ответы на все поставленные вопросы, но некоторые попытки в этом направлении имеются.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Весь материал был получен из экземпляров, отловленных летом 1970 года на базе Тульского стационара Института полиомиелита и вирусных энцефалитов (деревня «Никольские выселки» Тульской области).

Отлов производился в 14 стандартных учетных канавок. Препараты приготовлялись непосредственно в полевых условиях, причем как можно скорее после поимки зверей.

Для приготовления митотических препаратов в августе 1970 года было поймано 12 особей, из них 5 погибли, из 7 (6 самцов и 1 самки) было приготовлено по 3-4 препарата костного мозга и 1 убежал. Приготовление митотических препаратов производилось по стандартной методике (орлов и Аленин, 1968), с несущественными изменениями.

Колхицин вводили внутрибрюшинно на время от 1 часа до 1 часа 54 минуты при дозе 7-11 гамм на 1 грамм веса тела. Костный мозг вымывали из обеих бедренных костей 1% раствором цитрата натрия и выдерживали от 15 до 25 минут либо в термостате при 37°C, либо в подмышечной пазухе, после чего центрифугировали при 500÷1000 оборотов в минуту в течение 5 минут и фиксировали 30 минут предварительно охлажденной смесью 3 части метилового спирта с 1 частью ледяной уксусной кислоты, с 3-х разовой сменой фиксатора. Суспензию в последней смене фиксатора после ресуспендирования слегка центрифугировали и разливали различные слои на различные стекла с целью найти способ повышения числа митозов на препарате и освобождения от обломков поврежденных клеток и лишнего белка. Стекла для приготовления препаратов были обработаны обычным химическим способом (механически, затем хромовой смесью и промывка водой) без обработки смесью эфира со спиртом, что позволило получить препараты несколько лучшего качества. Суспензию разливал, поджигали в пламени спиртовки и высушивали в термостате. Митотические препараты были окрашены азур-эозином, любезно предоставленным М.И.Дьяковой, или красителем Гимза по Романовскому с разведением 1:10 (последнее дало лучшие результаты).

Фотографирование как митотических, так и мейотических фигур производилось на пленку микрат (200 или 300) под микроскопом NU фирмы Zeiss при увеличении на пленке в 400 раз и в 3000 раз на фотографии. Раскладка кариотипов и построение идиограммы производилось согласно рекомендациям Денверской конференции, разработанным для кариотипа человека с учетом критики Patau (Прокофьева-Бельговская и др., 1969). Поликариограмма была построена по методике, описанной Прокофьевой-Бельговской и Гиндилисом (А.А.Прокофьева-Бельговская и В.М.Гиндилис, 1965; В.М.Гиндилис, 1966), с использованием следующих параметров кариотипа: абсолютная длина хромосом в митозе, выраженная в микронах L^a; суммарная длина гаплоидного набора самки L_gapl (т.е. половина суммы длины всех аутосом плюс длина X-хромосомы), относительная длина хромосомы L^rкак отношение абсолютной длины хромосомы к длине гаплоидного набора самки, выраженное в промиллях; центромерный индекс I^c – отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы, выраженное в процентах; индекс спирализации I^s – отношение длин пары самых маленьких гомологов в наборе к самым большим, выраженное в процентах. Для построения поликариограммы и идиограммы было отобрано шесть метафазных пластинок одного зверя с индексами спирализации (и длинами гаплоидного набора соответственно), равными: 14,2% (272 мк), 14,7№ (413 мк), 15,9% (134 мк), 16,6% (279 мк), 16,8 мк (262 мк) и 22,9% (204 мк).

Для приготовления мейотических препаратов было поймано 19 половозрелых самцов в июле 1970 года (в период интенсивного размножения). Удовлетворительные результаты были получены только на 9 особях. Препараты приготовлялись по стандартной методике , разработанной для мейотических хромосом человека (Evans et al., 1964), с некоторыми модификациями. Обработка колхицином проводилась на пяти особях, как описано выше для митотических препаратов, из оставшихся четырех препараты были сделаны без колхицина. Вырезанные семенники помещали в изотонический раствор (2,2% р-р цитрата натрия), снимали тунику и в свежей порции раствора вычесывали клетки из семенных канальцев маленьким пинцетом или глазным скальпелем. Полученную суспензию фильтровали через два слоя марли и центрифугировали при 500 оборотах в минуту пять минут, осадок ресуспендировали в 1% растворе цитрата натрия и выдерживали в этом растворе при комнатной температуре 9-10 минут, после чего центрифугировали и фиксировали предварительно охлажденной смесью 30- частей абсолютного этанола, 10 частей ледяной уксусной кислоты и 1 части хлороформа в течение 20 минут с двукратной сменой фиксатора. Суспензию разливали на стекла и высушивали без поджигания. Препараты были окрашены 2% ацеторсеином с докраской голубым по Унна или 1% лакктацеторсеином в течение 1-2 суток в холодильнике.

Низкий выход хороших препаратов (9 особей из 19 дали препараты с наличием пахитен, диакинез был найден у еще меньшего количества) объясняется тем, что выбранная методика не является по-видимому достаточно приемлемо для данного объекта, а попытки разработать лучшую встречают некоторые затруднения, связанные с особенностями биологии данного вида.

Была также предпринята попытка применить методику Дыбана приготовления мейотических препаратов без потерь клеток, разработанную для грызунов (Дыбан, 1970), но эта методика была по-видимому недостаточно освоена автором, т.к. не дала удовлетворительных результатов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Подсчет диплоидного числа для семи исследованных особей, произведенный на 43-х метафазных пластинках, показал:

а) у шести самцов отмечены: одна клетка с 15-ю хромосомами, одна клетка с 18-ю хромосомам, одна с 19-ю, одна с 20-ю, 31 клетка с 21-й хромосомой и одна с 22 (всего 36 метафаз);

б) у самки на всех семи просчитанных метафазных пластинках найдено 20 хромосом.

Кариотипы самца и самки представлены на рис. 4 и 5.

Метафазная пластинка с 22 хромосомами при более внимательном рассмотрении была интерпретирована как аберрантная, с хроматидной делецией Y₂ хромосомы (см. рис. 6). Что же касается клеток с диплоидным числом, меньшим 21, то здесь по-видимому имеет место артефактная анеуплоидия, являющаяся неизбежной в случае применения гипотонической обработки (Прокофьева-Бельговская и Гиндилис, 1965). Таким образом, можно констатировать для исследованных особей следующие диплоидные числа: 21 для самца и 20 для самки.

2. Построенная идиограмма (рис. 7) показывает девять пар мета- и субметацентрических хромосом, один непарный крупного размера метацентрик (X-хромосома) и две акроцентрических хромосомы различной величины (Y₁и Y₂).

3. На поликариограмме (рис. 8) четко идентифицируются следующие хромосомы: Y₁, Y₂, 2-й пары и, по-видимому, 4-й, 6-й и 9-й пар. Хромосомы 7-й и 8-й пар не отличаются между собой и не идентифицируются. Что же касается хромосом 3-й и 5-й. а также 1-й пары и X, то они, возможно, идентифицируются недостаточно точно (для более строгих выводов необходим больший объем выборки).

Для построения карио- и идиограммы использовались только кариотипы с большой длиной гаплоидного набора и низким индексом спирализации, такие, как первый кариотип на рис. 9. Кариотипы с небольшой длиной гаплоидного набора или высоким индексом спирализации (такие, как второй и третий на том же рисунке) отбрасывались.

4. Опыт предварительного центрифугирования перед разливкой суспензии клеток костного мозга на стекла показал хорошие результаты. При этом оказалось, что делящиеся клетки располагаются в более низких слоях суспензии.

5. В пахитене мейоза просматриваются десять бивалентов (в тех случаях, когда их удается подсчитать). На всех пахитенах видна устойчивая связь аутосомного бивалента средней величины с половым пузырьком (рис. 10а, 12а) или с гетеропикнотической нитью (рис. 10б, 12б).

6. На всех изученных стадиях диакинеза четко виден половой тривалент (рис. 11 и 12б) с двумя различными типа конъюгации. Конъюгация типа «конец в конец» наблюдается между самым маленьким и самым большим элементами тривалента, средний и наибольший элементы конъюгируют необычным для половых хромосом способом – по длине, причем в некоторых случаях заметно наличие 2-х хиазм (рис. 11а).

ОБСУЖДЕНИЕ

1. Несмотря на то, что полученные данные показывают мономорфность, отсутствие полиморфизма для Тульской популяции Sorex araneus утверждать нельзя, т.к. если для констатации наличия полиморфизма в некоторых случаях достаточно исследования двух особей (и даже одной, если удается достоверно показать гетерозиготность кариотипа), то для доказательства мономорфности необходима достаточно большая выборка. Но, во всяком случае, можно утверждать, что такого широкого распространения полиморфизма, который наблюдается в некоторых популяциях Западной Европы, в Тульской популяции нет.

2. Необходимость построенных поликариограммы и идиограммы объясняется следующими причинами. За последние три года наблюдается значительный наплыв различных работ по кариологии млекопитающих и, к сожалению, иногда встречаются работы, где по недостаточно тщательным исследованиям делаются не слишком обоснованные выводы (Castro-Sierra and Wolf, 1968) или явные ошибки (например, Raicu et al., 1969), где обнаружились множественные половые хромосомы у Microtus arvalis.

В этом плане мне кажется. Что даже приведенные в настоящей работе карио- и идиограммы (которые не могут считаться окончательными из-за явно недостаточной выборки), все-таки придают нашим выводам хотя бы часть необходимой уверенности. Особенно это важно при констатации аномальных кариотипов, например. смножественными половыми хромосомами или внутрипопуляционным полиморфизмом (как в случае землеройки). В этом плане мне казалось бы желательным всякое цитогенетическое исследование начинать с идиограммирования и определения пределов идентифицируемости хромосом для придания большей достоверности последующим заключениям.

3. Что касается исследования мейоза, то мне кажется, что интерпретация полученных фигур в настоящем исследовании позволяет сделать окончательный вывод в пользу второй гипотезы Бовея (Y₂-хромосома является гомологом транслоцированной на X-хромосому аутосомы). Объяснить существование множественных половых хромосом описанного выше типа по-видимому можно только предположив наличие у данного вида специального механизма, определяющего неслучайное расхождение образующихся тривалентов в редукционном делении посредством ориентации их в метафазной пластинке определенным образом, как это было показано для Sorexaraneus (Bovey, 1949) и Blaps mucronata (Lewis and John, 1957). Известно, что в общем случае, например у человека, образующиеся в мейозе триваленты как следствие центрического слияния хромосом групп G и D, расходятся случайным образом. Прямых наблюдений здесь нет, но случайное расхождение можно предположить a priori для родителей пробандов с транслокационным синдромом Дауна (т.е. носителей сбалансированного кариотипа 45, D-, G-,t(DqGq) (Прокофьева-Бельговская и др., 1969). Если бы расхождение было неслучайно, синдромы Дауна встречались бы с частотой, более высокой, чем в целой популяции.

Механизм, «разрешающий» образование тривалентов в мейозе, мог выработаться эволюционно, т.к. он открывает необычайно широкие возможности двум процессам: редукции числа групп сцепления и перенесению генетического материала из аутосомных групп сцепления в половую. Оба этих процессов в отсутствие предлагаемого механизма приводят к тому, что вновь образующиеся кариотипы в значительной мере репродуктивно изолируют таких особей от популяции в целом. С другой стороны, оба явления могут иметь огромное эволюционное значение. Так.например, в пользу этой точки зрения для второго процесса свидетельствуют:

1. Элементарные генетические построения – сцепленные с полом гены функционируют несколько иначе.

2. Многочисленные косвенные данные, например, исследования Оно о соотношении хроматина X-хромосом и суммарного по аутосомам (Ohno, 1963).

3. Система определения пола XX – XY₁Y₂ (аналогичная системе обыкновенной бурозубки, предполагающей перенесение генетического материала в половую группу сцепления) встречается конвергентно у некоторых видов млекопитающих из различных отрядов: Potorous tridactylis (Marsupialia) 2n=13 (Sharman and Barber, 1951); возможно уTaterillus gracilis (Matthey, 1969) 2n=23; шести видов Phyllostomatidae: Choeroniscus godmani 2n=19, Carolliaperspicillata 2n=21, Carollia subfura 2n=21, Artibeus jamaicensis, Artibeus lituratus, Artibeus toltecus, 2n=31 (Hsu et al., 1968), причем в последнем случае механизм происхождения половых хромосом предполагается аналогичным предложенному Bovey для Sorex araneus. Интересно, что в некоторых случаях процесс соединения аутосомной парой с половыми хромосомами доходит до конца. Так, у Artibeus turpis, где диплоидное число равно 30 (половые хромосомы XY, по аутосомам кариотип аналогичен другим трем видам этого рода), предполагается центрическое слияние двух акроцентрических Y-хромосом – истинной и аутосомного происхождения – с образованием одной метацентрической хромосомы (Hsu et al., 1968). Таким образом, в последнем случае ситуация аналогична полученной Дубининым экспериментально на Дрозофиле (Дубинин, 1934).

Можно привести много различных свидетельств в пользу возможного значения в эволюции процесса центрических соединений, но они, к сожалению, либо не очень четкие, либо чисто умозрительные. Кажутся наиболее вероятными следующие:

1. Некоторые группы млекопитающих четко показывают редукцию числа хромосом в кариотипе вдоль одного филогенетического пути. Причем это явление настолько распространено, что териологи, занимающиеся сравнительной кариологией, пытаются искать обратные пути. Хотя можно привести сколько угодно примеров, когда эволюционно более молодой вид обладает меньшим диплоидным числом, мне известен только один недостоверный пример на млекопитающих, когда в эволюции предполагается диссоциация метацентрической хромосомы на две акроцентрических – для диких и домашних свиней.

2. Мне кажется вероятным, что процесс увеличения кариотипа не так необходим, как считают некоторые зоологи. Вид животных, потенциально способный пройти арогенез, должен обладать большим запасом генетической изменчивости и, в частности, большим числом групп сцепления. Если бы это было не так, второй фактор теории эволюции (о влиянии флюктуаций численности популяции) не имел бы эволюционного значения. С другой стороны, можно предположить, что в процессе адаптации вида к узким экологическим условиям без повышения уровня организации (аллогенез) происходит уменьшение запаса генетической отягощенности (мобилизационный резерв виде по С.М.Гершензону), т.к. в этом случае изменчивость вредна. Отсюда следует, что такие виды являются тупиками эволюции. И действительно, узко специализированные виды неспособны адаптироваться при изменении экологических условий. Если приведенные умозаключения справедливы, редукция диплоидного числа хромосом должна сопровождать необратимый эволюционный процесс (т.е. обратного пути попросту нет).

В последующих цитологических исследованиях бурозубки обыкновенной было бы важно установить природу механизма, определяющего правильное расхождение тривалентов в мейозе.

Автор глубоко признателен всем лицам, принявшим участие в настоящем исследовании: Д.М.Атаевой, С.И.Слезингеру и Н.Н.Орловой за консультации и практическую помощь в работе; В.К.Борджадзе за ценные консультации; Н.В.Глотову, принявшему участие в обсуждении работы; Н.Н.Вастеровой за помощь в практической работе; М.И.Дьяковой за проявленный интерес к настоящему исследованию; а также руководителям работы, В.Н.Орлову и А.И.Козловскому.

ВЫВОДЫ

1. Приведенная в работе идиограмма дает возможность указать параметры кариотипа Тульской популяцииSorex araneus Linnaeus: диплоидное число – 20 у самки и 21 у самца, NF^a=36, NF=40, все хромосомы, кроме акроцентрических Y-хромосом самца, мета- и субметацентрические. Все семь исследованных особей показали мономорфность кариотипов.

2. На поликариограмме показана идентифицируемость 2-й, 4-й, 6-й, 9-й, Y₁ и Y₂ хромосом и невозможность идентификации по 7-й и 8-й парам; относительно 3-й и 5-й пар, 1-й и X ничего сказать нельзя из-за недостаточной выборки.

3. Описаны некоторые стадии мейоза землеройки-бурозубки обыкновенной Sorex araneus L. Полученные данные подтверждают предположение, известное из литературы, об аутосомном происхождении части комплекса половых хромосом.

4. Выдвинуто предположение о существовании у бурозубки механизма, определяющего неслучайное расхождение тривалентов в редукционном делении, что приводит к появлению только сбалансированных гамет.

ЛИТЕРАТУРА

диплом-1972: эволюция

текст диплома

Дополнение. Текст набран по написанному весной 1972 года диплому с исправлением нескольких синтаксических или стилистических ошибок. Отсутствующие в тексте диплома фрагменты выделены и содержат указание «добавление». Некоторые тщательные излишества могут выглядеть нагромождениями, но тогда требовалось учесть критику, в частности, проф. Н.И.Шапиро. Соответственно тому, что мне сейчас известно, некоторые посылки работы выглядят старомодными по форме изложения, но выводы в целом правомерны и обоснованы. С тех пор в генетике появились новые методы, однако из-за падения интереса человечества к науке снизился как уровень борьбы в ней, так и внешнего патроната, в итоге современная научная среда разобщена и не может выдвинуть личностей, одновременно способных к обобщению и авторитетных в своей среде, мнение которых было бы общепринято при трансформации растущего объема экспериментальных данных в учебник. Последним таким человеком стал Роман Беньяминович Хессин-Лурье, продвинувший давно известную идею непостоянство генома, потому что без нее уже было невозможно интерпретировать данные экспериментов. Сколько апологетов идеи было зашельмовано коллегами до Хессина, не поддается исчислению, начиная с гения Сергея Михайловича Гершезона, который получил мутагенез при обработках супервариабельной ДНК в 1939 году. Этот человек открыл в генетике все и раньше всех включая прыгающие гены, обратную транскрипцию и мобилизационных резерв вида, был признанным и остепенным, но не преодолел статус изгоя и авторитетом, в отличие от Хессина, не считался.

Мой более поздний опыт показывает, что в прошлом доступная сегодня теория эволюции творилась не на ученых советах и семинарах, а в шарашках и колхозах, куда ссылали неугодных. Тут надо понять, что при успешной защите этой работы профессор Николай Шапиро выступил с критикой, смысл которой – далеко идущие выводы при малом количестве насчитанных аберраций. Однако в феврале 2006 года в той же аудитории кафедры генетики защитил докторскую Александр Рубанович, в которой показал, насколько мало надо считать мутаций.

Учитывая сказанное в дополнении, стоит понять, насколько эта работа была выдающимся исключением, возможным только на кафедре генетики – тут сочетание общей обстановки и роли фактического заведующего кафедрой Марлена Мкртычиевича Асланяна. Тогда мне было неведомо, что я попал в некую флуктуацию, и думал, что так будет всегда. А оно всегда потом кроме этого единственного случая было нормально – чем лучше работа, тем больнее бьют.

Фотографии и рисунки см.: позже

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

Биолого-почвенный факультет

Кафедра генетики и селекции

К природе потенциальных изменений хромосом, индуцированных, γ-лучами в сухих семенах скерды Crepis capillaris.

Дипломная работа студентки V курса Н.Н. Вастеровой

Научный руководитель канд. биол. наук Е.М.Протопопова

Москва – 1973

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор литературы

1. Потенциальные изменения хромосом

2. Кислородный эффект и кислородное последействие

3. Температурное последействие

4. Температурное последействие ДКС

5. Использование ДКС в качестве инструмента для изучение ПИ хромосом

6. Природа ПИ хромосом, выявленных двумя различными сенсибилизирующими агентами – О₂ и ДКС

7. Возможно ли образование ПИ без специальной мутагенной обработки

8. Задачи настоящей работы

Материал и методика

Результаты

Обсуждение

I. ПИ и сенсибилизаторы

II. Фотоморфогенез, фитохром и действие ДКС на живой организм

III. Возможные механизмы задержки проявления мутаций

Выводы

Список литературы

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

В 1959 году было показано. Что обработка кислородом во время замачивания облученных γ-радиацией семян ячменя

Под единицей функции условно понимается один метаболический акт, требующий генетического кодирования. Поскольку эта величина непосредственно не измерима, приходится сравнивать количество ДНК на геном (на клетку, на хромосомный набор), что в какой-то степени правомерно только для близких видов.

В дальнейшем мы попытаемся выявить, меняется ли вообще и, если меняется, то каков характер изменения трех генетических характеристик вида из всех вышеприведенных, определяющих уровень изменчивости:

а) число групп сцепления;

б) количество ДНК на хромосомный набор;

в) уровень естественного мутационного процесса.

Выбор только этих характеристик определяется тем, что они допускают непосредственное измерение.

Для того, чтобы выявить характер изменения, необходимо сравнить численное выражение соответствующей характеристики у двух видов, лежащих на одном филогенетическом пути, отличающихся друг от друга тем, что один из них прошел больший путь аллогенеза – т.е. приспособлен к конкретным экологическим условиям, характерным для данной группы организмов. Самое трудное – это правильно выделить такие пары видов. Разбору этого вопроса и посвящен следующий раздел.

2. Виды-гомеологи

Аллогенез представляет собой процесс приспособления группы к конкретным экологическим условиям без усложнения уровня организации по сравнению с предковой группой (по Северцову, 1967, стр. 137, изм.). наша задача состоит в том, чтобы выявить тип изменения (если таковое существует) характеристик вида, определяющих общий уровень изменчивости в ходе аллогенеза.

Для того, чтобы это сделать, необходимо сравнить численное выражение той или иной характеристики (число хромосом, количество ДНК на клетку, уровень естественного мутационного процесса) у родственных видов, принадлежащих одному филогенетическому пути, имеющих одинаковый уровень общей организации, но отличающихся по степени аллогенетической продвинутости. Целесообразно сделать это так.

1. Выбрать пару или n-ку видов, по морфофизиологическим критериям стоящих на одном филогенетическом пути. Следовательно, выбранные виды должны быть обязательно близки систематически и, в частности, принадлежать одному роду.

2. Поскольку морфофизиологические критерии не могут считаться доказательными (а только «указательными»), желательно показать филогенетическую близость выбранных видов, используя в дополнение кморфофизиологическим еще и другие, например, кариологические или молекулярные критерии.

3. Выбрать для таксона, к которому относятся выбранные виды, критерии морфофизиологической приспособленности и специализации.

4. Используя выработанные критерии, расположить выбранные виды в ряд по уровню приспособленности вдоль аллогенетического пути.

5. Провести сравнение численных выражений характеристик, определяющих уровень изменчивости, со степенью морфофизиологической приспособленности (т.е. аллогенетической продвинутости).

Доказать принадлежность видов к единому филогенетическому пути нельзя, можно лишь показать их близостью по различным критериям. Поэтому имеет смысл брать только близкие виды, прежде всего по их систематическому положению. Но современная систематика, опирающаяся в значительной степени только на морфологические критерии, имеет в основе своей, к сожалению, слишком много субъективных факторов. Использование только близких видов в какой-то степени страхует нас от ошибок, т.е. чем родственнее виды, тем более вероятно, что они принадлежат единому филогенетическому пути. Можно использовать различные критерии родственности видов. Виды, показывающие сходство по какому-либо конкретному критерию, мы предлагаем называть гомеологами по данному критерию (ранее этот термин применялся в более узком смысле – только в отношении кариологического критерия).

В качестве критериев гомеологии двух или более видов различные авторы используют следующие.

1. Равенство числа хромосом. Как будет показано ниже, этот критерий не всегда показывает гомеологию как таковую, но несомненно свидетельствует о близости эволюционного состояния видов.

2. Пропорциональность отдельных параметров кариотипа и количества ДНК на хромосомный набор у различных видов.

Таким способом была показана гомеология у двух видов лука – батуна Allium fistulosum и репчатого A.cepa(Павулсоне и др., 1970); различных видов рода Vicia, в частности, бобов и вики (Martin & Shanks, 1966; Chooi, 1971); у трех видов рода сорго Sorghum (Nirula et al., 1961); несколько видов клопов Thyantha (Shcrader & Hugnes-Shrader, 1956); трех видов жаб Bufo bufo, B.viridis и B.calamita (Ullerich, 1966). При этом не всегда использовались только стандартные параметры кариотипа, вычисленные по длине метафазных хромосом. Всего возможно четыре способа измерения параметров хромосомного набора: а) морфометрия метафазных хромосом; б) цитоспектрофотометрия всего набора, отдельных хромосом или отдельных плеч; в) измерение объема хроматина хромосом; г) измерение массы ДНК. Было показано. Что результаты, получаемые этими четырьмя методами для близких видов, соответствуют друг другу и взаимозаменяемы, т.к. имеет место пропорциональность следующих параметров: а) общая длина хромосомного набора TCL, измеренная в микронах; б) общий объем хроматина, измеренный в квадратных микронах (измеряется взвешиванием вырезанных из фотографии хромосом); в) количество Feulgen-DNAна ядро, измеренное цитоспектрофотометрически; г) масса сухого вещества ДНК на хромосомный набор (Rees et al., 1966; Rotheels& Heimburer, 1968).

3. Прямая гомология хромосом.

Показать гомологию можно лишь в том случае, если удается получение гибрида с более или менее нормально протекающим мейозом. Это сделано для двух видов комаров-звонцов Chironomus th. Thummi и Ch. Th. Piger (Keyl, 1965) и луков A.cepa и A.fistulosum (Rees & Jones, 1967).

4. Соответствие структуры геномов по относительному содержанию фракций ДНК с различной степенью повторяемостью. Это было показано для вики и бобов (Караванов и Иорданский, 1971).

5. Сходство рисунка репродукции хромосом. Это третий метод, которым была показана гомеология для двух видов луков (Павулсоне и др., 1971).

Принципиально можно применять и другие методы.

Выделенные группы видов-гомеологов делятся на два класса.

1. Гомеологи, отличающиеся локальными изменениями хромосом. При этом обычно сохраняется гомеология кариотипов. Определение локальных отличий производится на пахинемных хромосомах или (для двукрылых) хромосомах слюнных желез у гибридов. Такое явление имеет место для луков, звонцов и жаб.

2. Гомеологи, отличающиеся в кратное число раз (порядка пяти и более) по содержанию ДНК на геном. Примером является пара – вика и бобы.

Следуя приведенному в начале этого раздела плану, далее необходимо выработать критерии морфофизиологической приспособленности. Удалось найти таки критерии в литературе (только морфологические) для двух родов растений – вики и скерды. Для Вик Vicia критерием морфологической приспособленности служит степень перехода от эректоидного, прямостоячего стебля к цепляющемуся, ползучему (Тахтаджян, 1966, стр. 145). Для скерды Crepis – переход от крупных озимых форм к мелким однолетникам при общем укорочении жизненного цикла и редукции размеров органов и всего растения (Babcock & Cameron, 1934; Babcock, 1947). Причем в последнем случае – для рода Crepis – филогенетические взаимоотношения изучены настолько хорошо, что нет необходимости прибегать к дополнительным (например, молекулярным) критериям.

Дополнение. У чеснока критерием аллогенетической продвинутости служит редукция органов размножения в виде стрелки и цветов, имеющихся у озимых форм и утраченных яровыми; у высших приматов – размер черепной коробки, конкретно у человека – рост или даже способность быстро меняться, воспринимать или использовать моду и новации жизни, но прежде всего – допустимость браков между родственниками, невозможная у примитивных, реликтовых популяций, в языке которых может не быть множества числительных, но выработана система родства для возможного повышения брачного расстояния с целью предотвращения инбридинга. Благодаря двухкомпонентной организации генома человек обладает одновременно морфологической специализацией с жесткой зависимостью от искусственных условий жизни и приспособленностью к переменам, причем наша генетическая система способна к самовозбуждению и включению катастрофического режима без таких перемен среды, которые требуют катастрофы для их переживания. На психологическом уровне это выглядит как жажда обновления, характерная для длительно живущих наций-конгломератов вроде русских. Образно говоря, человек, как и чеснок, при интродукции без скрещивания способен принимать свойства с соседней грядки в огороде. Интересный вариант описан для сельди Clupea harengus Кириллом Трувеллером. Сравнение различных популяций сельди демонстрирует два направления специализации – приспособление к распреснению (популяции внутренних морей) и к пониженной температуре нереста (северные популяции). Показаны морфологические критерии приспособленности, в частности, редукция числа килевых чешуй. Один из наиболее продвинутых видов сельди имеет на одну пару хромосом меньше, чем большинство в роде. В общем случае способность переживать инбридинг благодаря снижению генетического груза характерна для аллогенетически продвинутых форм. По словам Владимира Струнникова можно понять, что добиться клонирования у тутового шелкопряда Bombix mori удалось благодаря генетической инженерии с помощью серии скрещиваний бабочек. В дикой природе способность к клонированию связана с высоким единообразием, как у серебряного карася или скальной ящерицы Lacerta saxicola. У млекопитающих (настоящих зверей) клонирование с отказом от полового размножения неизвестно, наиболее близки к этому гепарды, популяция которых фактически состоит из двух клонов по типу единообразия. Кроме размера генома, есть еще такой имманентный признак генетически настроенных на перемены форм, как наличие большого количества разнообразных типов повторяющихся последовательностей включая способных к перемене места в хромосоме и хромосомном наборе.

3. Характер изменения числа групп сцепления в ходе аллогенетического процесса

Как было разобрано выше, характеристики вида: а) число групп сцепления, б) количество ДНК на геном и в)уровень естественного мутационного процесса – определяют уровень изменчивости вида и, следовательно, теоретически должны изменятся в ходе эволюции (например, аллогенеза). Наличие и характер зависимости от эволюционного состояния вида можно считать выявленными только для числа групп сцепления. Виды, отличающиеся по степени эволюционной продвинутости, как правило имеют различное число хромосом. Причем в тех случаях, когда удается показать увеличение адаптивности от одного вида к другому (т.е. аллогенетический характер филогенеза), число хромосом претерпевает редукцию в полном соответствии с логическими построениями первого раздела обзора. Особенно хорошо такая редукция прослеживается для скерды, где очень четко показано изменение в филогенезе диплоидного числа от пяти пар у примитивных предковых видов через восьмихромосомные промежуточные (типа Crepis tectorum) к шестихромосомным специализированным однолетникам (типа Crepiscapillaries) (Babcock & Cameron, 1934; Tobgy, 1943). Подобные же пути редукции диплоидного числа наблюдаются (хотя, возможно, менее доказательно) и для других групп, например, млекопитающих (Орлов и Козловский, 1971; Московкин, 1971).

Во всех случаях редукции числа хромосом в наборе предполагается, что она происходит за счет транслокационных изменений типа центрических слияний Робертсона. При этом из двух пар акроцентрических хромосом образуется одна метацентрическая. Далее может произойти инверсия, которая вновь откроет возможность центрического слияния. У млекопитающих редукция числа хромосом через центрические слияния по-видимому широко распространена. Внутри рода землероек-бурозубок Sorex неоднократно происходили слияния акроцентрических аутосом, а у бурозубки обыкновенной S.araneus этот процесс происходит буквально на наших глазах. Кроме того, для многих видов бурозубок и шести видов летучих мышей Artibeus (subordo Microchiroptera) показан в филогенезе процесс транслокации одной из аутосом на X-хромосому. У Artibeus происходит дальнейшая редукция – слияние двух Y-хромосом (истинной половой и аутосомного гомолога транслоканта) в одну.

Обратный процесс – увеличение числа групп сцепления – также имеет место в эволюции. Но в этом случае обычно не удается показать аллогенетический характер изменения (возможно, здесь мы имеем место не с аллогенезом). Происходит это чаще всего путем полиплоидизации, причем полиплоидные виды с кратным наборомхромосом обычно представляют собой амфидиплоидные гибриды (Babcock & Cameron, 1934). У млекопитающих случаев увеличения диплоидного числа хромосом в аллогенезе не найдено.

Дополнение. Исключение составляли спорные варианты, например, у свиней, связанных совторичным одичанием.

Принципиально возможен еще один путь увеличения числа хромосом – прямая диссоциация хромосомы на две. Такой процесс достоверно не описан, т.к. он требует существования в эволюции такого спорного явления, как деление центромеры на две (Навашин, 1934). Логически процесс диссоциации хромосом (как и ассоциации) должен легко осуществляться у видов с множественной (диффузной) центромерой. В последнем случае отсутствуют обе помехи для изменения числа хромосом – как маловероятность дупликации центромеры, так и возникновение репродуктивного барьера между особью с новым числом хромосом и всей популяцией. Следовательно, если и существует какая-то закономерность в распределении числа хромосом, то у видов с диффузной центромерой она должна в большей степени коррелировать с эволюционным состоянием, чем у видов с локальной центромерой.

На рис. 2-а представлена зависимость числа видов с данным числом хромосом от числа хромосом для 483-х видов осок рода Carex, имеющих много точек прикрепления хромосомы к нитям веретена деления (по Навашину и Чуксановой, 1970). Хотя число хромосом у осок варьирует в довольно широких пределах (от 12 до 112), имеется четко выраженный максимум. Соответствующий 60-хромосомному набору. Не является ли 60 наиболее оптимальным диплоидным набором для данного рода? Кажется целесообразным объяснить это явление (а также явление изменений диплоидного числа в филогенезе, описанные выше) с точки зрения соответствия числа групп сцепления эволюционному состоянию вида. Аналогичные кривые распределения числа хромосом можно построить для многих видов растений, используя соответствующий справочник (Хромосомные числа цветковых растений, 1969). Для всех случаев (когда это было проделано) имел место максимум, соответствующий у каждого рода диплоидному числу. Так, например, наиболее распространенное число хромосом для рода луков Allium – 16, для рода вики Vicia – 12÷14 и для рода скерда Crepis – 8 (рис. 3). В последнем случае известно, что наиболее распространенное число хромосом не соответствует исходному для данного рода – 10, которое характерно для примитивных видов скерды.

Следовательно, хотя процесс изменения в эволюции числа хромосом у видов с локальной центромерой затруднен, в целом не проходит весьма распространенная концепция соответствия числа хромосом филогенетически исходному для данной группы. Но все-таки, в отличие от осок, число хромосом у таких видов не может свободно меняться, и поэтому в некоторых случаях оптимальное число оказывается эволюционно недостижимым. Тогда устанавливается ближайшее к оптимальному эволюционно достижимое. Так, например, для видов с полиплоидными рядами лютиковых Ranunculaceae и сложноцветных Compositae по характеру распределения числа хромосом можно предположить, что для большинства (кроме Thalictrum), оптимальным набором был бы триплоидный. Но реализоваться он может только у родов Hieracium и Taraxacum, являющихся апомиктами (рис. 2-б; по Навашину и Чуксановой, 1970). Вполне возможно, что возникновение генетических механизмов, «разрешающих» образование полиплоидов у этих видов, связано с тем, что для них оптимальным оказалось триплоидное число хромосом.

Дополнение. В общем случае отказ от полового размножения может свидетельствовать как о специализации в узкой экологической нише, так и о своеобразном приспособлении к существованию в меняющихся условиях среды, как у чеснока или несовершенных грибов. В данном случае геном разделен на облигатную и факультативную компоненты, первая вовлечена в процесс поддерживающей единство вида рекомбинации благодаря появлению специфической формы суррогата полового процесса, ограниченной частью генома с программой общей жизнеспособности. Известны случаи выпадения некоторых составляющих половой рекомбинации типа отсутствия кроссинговера у самцов Drosophila melanogaster, у которой достаточно много мобильных последовательностей в отличие от некоторых морфологически сходных видов. Факультативная компонента защищена от такой рекомбинации, это «полигон катастроф», позволяющий обмениваться генными блоками между отдаленными по происхождению формами. У большинства подобных форм с приспособленностью к неожиданному будущему, как бобы или человек, обычное половое размножение сохраняется, но возникает система репродуктивных барьеров, поддерживающих обмен генными блоками без растворения их в половой рекомбинации.

С позиции соответствия числа групп сцепления эволюционному состоянию вида можно также объяснить, почему у таких видов, как бобы и вика, кариологически явно различных (фото 0 – кариотипы, фото 1 – метафазы при одинаковом увеличении), число хромосом оказывается одинаковым, причем не потому, что оно одинаково исходно. Нет, перестройки кариотипа в филогенезе между этими видами происходили и принципиально могло бы установиться другое число хромосом. Но, т.к. параметры эволюционного состояния у бобов и вики близки вследствие их родственности, им соответствует одинаковое оптимальное число хромосом – 12. это не противоречит тому факту, что для рода вики наиболее распространенными являются диплоидные числа 12÷14 (рис. 3).

Резюмируя изложенное в этой части обзора, можно предложить следующие выводы:

1. Число групп сцепления – характеристика вида, являющаяся функцией его эволюционного состояния;

2. В ходе аллогенетического процесса (т.е. приспособления к конкретным экологическим условиям) число групп сцепления претерпевает редукцию, что согласуется с логическими построениями, проведенными в первой части обзора;

3. Каждому эволюционному состоянию вида соответствует некое оптимальное число хромосом, которое не всегда является эволюционно достижимым. Тогда устанавливается число хромосом, ближайшее к оптимальномуэволюционно достижимое.

Если приведенные выше построения справедливы, то число хромосом можно использовать как параметр, характеризующий в какой-то степени эволюционное состояние вида. Несомненно, использовать его можно только для сравнительной оценки близких видов относительно друг друга (абсолютного критерия эволюционного состояния вида не существует). Но все-таки, несмотря на ограничения, вместо неконкретного «эволюционного состояния» мы получаем в распоряжение реальную величину.

4. Возможный характер изменения количества ДНК на клетку в ходе аллогенетического процесса

Вполне вероятно, что количество ДНК на клетку является признаком, зависящим от эволюционного состояния вида. То, что оно меняется в эволюции, очевидно. Но характер изменения и связи со степенью адаптационной продвинутости достаточно четко пока не выявляется. В пользу того, что количество ДНК на клетку должно меняться в эволюции, можно привести следующее.

1. Данные по первичной структуре белков у различных видов приводят к выводу о существовании в эволюции процесса дупликации отдельных участков генома (т.е. увеличения количества ДНК) (Ohno et al., 1968; Ohno, 1971). Дупликация может происходить случайно и дуплицированная ДНК некоторое время находится в генетически инактивном состоянии. Впоследствии дупликант случайным образом может приобрести некоторую функциональную нагрузку, обычно несколько отличную от той, которую несла исходная матрица. Примером может служить эволюция цепей гемоглобина у позвоночных. Отсюда может быть понятен смысл неработающей ДНК генома, которой обычно бывает больше, чем кодирующей какие-либо признаки или процессы организма. По-видимому, «лишняя» ДНК определяет одну из форм запаса изменчивости вида.

2. Существует несоответствие количества ДНК уровню организации. При одинаковом общем уровне организации примитивные виды имеют больше ДНК, чем специализированные (Stebbins, 1966).

3. Можно привести примеры как уменьшения, так и увеличения количества ДНК в филогенезе.

3-а. Внутри рода скерды виды, примитивные морфологически, имеют в пять раз большую длину хромосомного набора, чем специализированные однолетники (Babcock, 1947; Hinegardner, 1968).

3-б. У луков Allium fistulosum и A.cepa (Rees & Jones, 1967), также у комаров-звонцов Chironomus thummi thummiи Ch. th. piger (Keyl, 1965) обнаружено прямое увеличение количества ДНК за счет локальных изменений (возможно, дупликаций). Но в тех случаях, когда удается показать аллогенетический характер различий между видами, обычно констатируется редукция количества ДНК на геном.

4. В тех случаях, когда удается сопоставить изменение диплоидного числа хромосом и количество ДНК в них, редукция диплоидного числа сопровождается уменьшением содержания ДНК. Такая корреляция наблюдается для клопов трибы Pentatomini (Hugner-Schrader & Schrader, 1956), рода Vicia (Martin & Shanks, 1966) и для Crepis(Babcock, 1947).

По-видимому, в ходе аллогенеза количество ДНК на геном должно меняться так же, как и число хромосом – уменьшаться. Уменьшение скорее всего должно происходить в основном за счет генетически инактивной ДНК, т.к. на уровне общей организации этот процесс обычно не отражается.

5. Спонтанный мутационный процесс в воздушно-сухом семени и возможная зависимость его от эволюционного состояния вида

Последняя характеристика вида, определяющая общий уровень изменчивости, которую нам осталось обсудить – уровень естественного мутационного процесса. Несмотря на то, что этот фактор считается наиболее важным, непосредственно поставляющим изменчивость, он не является так хорошо изученным, как этого бы хотелось. Если мы можем делать какие-то выводы относительно изменения в эволюции числа групп сцепления и количества ДНК на геном, то о том, как меняется и меняется ли вообще в эволюции уровень и темп мутирования у близких видов, пока неясно. Как указывалось выше, уровень спонтанного мутационного процесса у различных организмов варьирует в пределах одного порядка, т.е. значительно ниже, чем этого следовало бы ожидать, учитывая различную продолжительность жизни. Тимофеев-Ресовский с соавторами (Тимофеев-Ресовский и др., 1969, стр. 75) считает, что «…частота спонтанного мутирования … имеет некоторое оптимальное значение, вырабатываемое эволюционно в процессе естественного отбора». Это предположение вполне естественно. К сожалению, оно пока не доказано.

В какой-то степени отсутствие данных по этому вопросу определяется двумя трудностями.

1. Большинство вновь возникающих мутаций не жизнеспособны или жизнеспособны значительно менее нормы в условиях активно метаболирующей ткани. Иными словами, в метаболирующей ткани существует динамическое равновесие между действием мутационного процесса и отбора, также репарации. Поэтому та частота мутирования, которую мы наблюдаем, представляет собой разность действия двух процессов. Отсюда становится понятным, почему наблюдаемая частота мутирования у самых различных организмов варьирует не очень значительно. Каков уровень вновь возникающих мутаций, неизвестно, т.к. неизвестно давление отбора.

Дополнение. Можно предположить, что причина подавления вновь возникающих мутаций в совокупности механизмов перекодирования биополимеров (большинство замен в ДНК невидимы в белках), отбора на уровне сомаклональной изменчивости, репарации и стабилизации, не все из которых известны и спустя три десятка лет даже после открытия роли коротких РНК. Исключение составляет транспозиционный (в частности, вирусный) мутагенез, преодолевающий защиту. Наши эксперименты in vitro показывают, что в обработанных колхицином и тимусной ДНК меристемах чеснока спонтанный фон аберраций хромосом снижается, но могут возникать повторяющиеся схожие повреждения, объясняемые активностью мобильных последовательностей. С другой стороны, предмутационные состояния после облучения некоторое время существуют в латентном состоянии и даже дуплицируются в фазе синтеза клеточного цикла, но в основном в конце этой фазы, т.е. во время дупликации гетерохроматина. Отметим, что при замораживании до низких температур при выключении степеней свободы пропорционально градациям температуры в исчислении от абсолютного нуля (минус 273 градуса по Цельсию) ступенчато и резко падает мутационный процесс.

2. Если число хромосом и количество ДНК – параметры, которые довольно легко поддаются измерению, то этого нельзя сказать про уровень мутационного процесса. Существующие методы определения частоты генных мутаций значительно сложнее, чем, например, методы измерения кариотипа. Эту трудность можно обойти, если ввести некоторый параметр, отражающий уровень естественного мутационного процесса. Поддающийсянепосредственному измерению.

Таким параметром может служить уровень спонтанных перестроек хромосом. Учет аберраций хромосом мы можем вести прямым наблюдением. Необходимо только выяснить, в какой степени уровень частоты аберраций хромосом отражает общий уровень естественного мутационного процесса. Это можно было бы сделать следующим способом: показать прямое соответствие частоты перестроек хромосом и генных мутаций. Для индуцированного мутагенеза это сделано (Künzel, 1971), но для спонтанного мутагенеза известно только качественное соответствие (Навашин, 1933). Следовательно в качестве параметра, определяющего уровень естественного мутационного процесса, мы в первом приближении можем использовать уровень частоты аберраций хромосом. Поэтому для простоты ниже везде слова «спонтанный мутационный процесс» будут означать спонтанный процесс образования перестроек хромосом.

Таким образом вторую трудность мы обошли. Что касается первой – противодействие естественного отбора накоплению мутаций – то здесь необходимо найти модельный объект, в котором мы можем разделить эти два процесса. На наш взгляд, таким подходящим объектом являются воздушно-сухие покоящиеся семена высших растений. Зародыш в семени находится в состоянии анабиоза (или близком к таковому), благодаря чему действие отбора сведено к минимуму. Естественному накоплению повреждений между тем ничего не мешает. Этот процесс, не связанный с какими-либо внешними факторами, определяется общей тенденцией энтропии увеличиваться. Действительно, было показано, что внешние факторы, например, космическое излучение, не могут обеспечить существующую скорость естественного мутационного процесса в покоящихся семенах (Навашин, 1933; Навашин и Герасимова, 1935; Gunthardt, 1953).

Следовательно этот процесс действительно определяется внутренними причинами. Накопление мутационных повреждений происходит независимо во всех клетках семени. Это подтверждается высокой степенью мозаичности зародыша, выявляемой после проращивания (Навашин и Герасимова, 1935). Существование мозаичности доказывает также, что накопление повреждений происходит во время хранения семени.

Как было указано, действие естественного отбора сдвинуто до момента проращивания. Непосредственными объектами приложения действия отбора являются поврежденные клетки. Показано, что мозаичность высокая непосредственно после проращивания, в онтогенезе уменьшается. Клоны мутантных клеток вытесняютсянормальными. Отбор на клеточном уровне может приводить и к гибели всего зародыша. Навашин считал, что сем более глубокие мутационные повреждения произошли в зародыше, тем больше вероятность его гибели (Навашин и Герасимова, 1935). Гибель зародыша определяется как факт непрорастания семени. Овен считает, что гибель зародыша наступает при гибели определенной доли так называемых ключевых клеток (Owen, 1967). По-видимому это так. Только гибель мутантной клетки с определенным уровнем поврежденности (или зародыша с определенной долей погибших клеток не фатальна, а вероятна. Причем вероятность гибели тем больше, чем более глубоко повреждение клетки (или чем больше доля погибших клеток в зародыше). Т.о. можно принять, что существует вероятностное соответствие между уровнем накопленных в зародыше повреждений, давлением отбора на уровне семян. Следовательно, давлению отбора на клеточном уровне (которое мы учитывать не можем) должна соответствовать доля непроросших семян (обратная величина всхожести). Эту величину мы можем непосредственно определять.

Т.о. уровень мутирования мы определяем на выживших семенах, а давление отбора – на погибших. Вероятностная природа действия отбора позволяет нам сравнивать результаты, получаемые так. При высоких эффективностях отбора это не правомерно, т.к. в этом случае поврежденные клетки гибнут с высокой вероятностью (гибель почти достоверна) и среди выживших семян уровень мутирования будет ниже, чем среди погибших. Резюмируя, величину процента погибших семян можно использовать в качестве характеристики давления отбора против поврежденных клеток, но только при не очень высокой эффективности отбора.

Наличие соответствия уровня мутирования доле погибших семян подтверждается известными фактами накопления аберраций и падения всхожести по мере хранения у различных видов (рис. 4 а-г и д-и). Падение всхожестикак правило соответствует увеличению уровня мутирования. Исключением являются только случаи высокой поврежденности в конце срока хранения у пшеницы (рис. 4-г) и одного из сортов ржи (рис. 4-з).

У различных видов одинаковая степень падения всхожести соответствует различному уровню накопления аберраций. Так, например, если у пшеницы (рис. 4-г) значительная гибель семян наступает при 60% клеток с аберрациями, у ржи практически полная потеря всхожести наступает уже при 5% клеток с аберрациями (рис. 4-ж и 4-з). По-видимому, соотношение уровня мутирования (по аберрациям хромосом) и давления отбора (по проценту погибших семян) является видовым признаком. Было выдвинуто предположение, что цитогенетические нарушения не являются непосредственной причиной гибели семян, а следствие какого-то общего процесса, вызывающего также и «выключение» зародыша при определенном уровне повреждения (Harrison & McLeish, 1954; Owen, 1967). В свете изложенного в начале обзора, уровень мутационной изменчивости может являться функцией эволюционного состояния вида и, например, при приспособлении к конкретным условиям существования должен уменьшаться. Если сопоставить это с предположением о том, что соотношение между уровнем мутирования м всхожестью является видовым признаком, то можно сделать следующий вывод. Механизм изменения уровня мутирования в эволюции может заключаться не только в изменении абсолютного темпа мутирования, но и в изменении эффективности отбора против мутантных клеток.

Увеличение эффективности отбора при аллогенезе вполне естественно. Это и может быть как раз тот механизм, который «выключает» зародыш при различном уровне повреждения у различных видов. Но исходной причиной гибели зародыша все-таки остаются мутационные повреждения, как и считал Навашин.

Резюмируя, можно сказать, что эволюционное значение имеет не только абсолютный истинный темп мутирования (это те вновь возникшие мутации, которые еще не обработаны отбором), но и соотношение действия мутационного процесса и давления отбора.

Для простоты дальнейшего изложения введем параметр, характеризующий соотношение действия этих факторов – уровень эффективного мутирования, как число накопленных аберраций (на сто просмотренных клеток с анафазами) за тот срок хранения семян, при котором происходит увеличение доли погибших семян на один процент (точнее, падение всхожести на 1%). Величина уровня эффективного мутирования должна отражать эффективность отбора против повреждений в семени (т.е. обратная величина эффективности отбора; является видовым признаком).

Наша задача состоит в том, чтобы определить, является ли уровень эффективного мутирования функцией эволюционного состояния вида. Для этого необходимо провести сравнение исследуемого параметра у различных видов-гомеологов, следуя разработанному алгоритму сравнения, описанному в разделе «виды-гомеологи». Попытка найти литературные данные для такого сравнения не увенчалась успехом (в отличие от данных аналогичного типа для числа хромосом и количества ДНК на геном, которых, кстати, довольно много). Дело в том, что несмотря на большое количество работ по мутагенезу, очень мало авторов производит параллельно определению уровня мутирования определение всхожести. В немногих работах, где это проделано, нет данных, позволяющих провести сравнение для двух близких видов.

В настоящей работе предпринята попытка восполнить существующий пробел, попытавшись определить, существуют ли различия в уровне мутирования и уровне эффективного мутирования у видов-гомеологов с различным эволюционным состоянием. Следуя указаниям алгоритма сравнения, из всех описанных выше гомеологических видов мы выбрали пару – бобы обыкновенные Faba vulgaris и вика посевная Vicia sativa. В рамках нашей задачи необходимо сделать следующее:

1. Показать систематическую родственности и гомеологию выбранных видов;

2. Определить по морфологическим критериям, разработанным для данной группы организмов, какой вид является более приспособленным к конкретным экологическим условиям;

3. Изучить изменение уровня мутирования и всхожести семян выбранных видов при хранении.

Первые два пункта уже выполнены на основании литературных данных. Третий пункт является задачей экспериментальной части настоящей работы.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

В качестве объекта использовали воздушно-сухие семена бобов обыкновенных Faba vulgaris (прежнее название бобы конские Vicia faba) и вики посевной Vicia sativa, причем как те, так и другие двух сроков хранения: до 3,5 лет (1968 год урожая) и до 0,5 года (1971 год урожая). Семена каждого вида и срока урожая были рассортированы по степени выполненности на три фракции: «крупные», «средние» и «мелкие». Для всех экспериментов, кроме предварительных, использовали только семена фракции «крупные».

Определение уровня спонтанного мутирования производили путем учета перестроек хромосом в корневой меристеме зародыша при проращивании.

Проращивание семян производили в термостате при 25ºC в чашках Петри на фильтровальной бумаге. Семена бобов с абсолютным весом 497÷510 грамм размещали по 20 семян на чашку, семена вики с абсолютным весом 51÷56 грамм – по 50.

Уровень мутирования определяли в пределах первого митоза и по возможности в самом начале его. Это необходимо потому, что не исключена возможность существования гибели клеток с аберрациями не только после прохождения митоза, но и до него. В этом случае среди клеток, входящих в митоз позже, доля аберрантных клеток может быть занижена. Поэтому проводили очень жесткий отбор проростков по длине корешка. В предварительных экспериментах было установлено, что время наступления первого митоза соответствует длине первичного корешка от подсемядольного колена 3÷6 миллиметра для вики и 6÷10 миллиметров для бобов.

Параллельно отбору корешков необходимой длины для фиксации определяли динамику прорастания семян с 20 до 30 часов с начала проращивания. Через 300 часов с начала замачивания определяли всхожесть семян и число (процент) погибших семян. Погибшими считал и ненабухшие и загнившие семена.

Для определения частоты аберраций приготовляли временные давленные препараты из корешков, фиксированных смесью трех частей этанола и одной част и ледяной уксусной кислоты. Корешки бобов были окрашены ацетокармином, корешки вики – ацетоорсеином.

Просмотр аберраций вели под микроскопом PZO при увеличении окуляра 12,5 и объектива 100 с масляной иммерсией. В случае необходимости производили фотографирование фотонасадкой МФН-11 на пленку микрат-200. фотопечать производили при стандартном увеличении на фотобумаге ×3000 для клеток вики и ×3000 или ×2100 для клеток бобов.

По общепринятому мнению, из двух существующих методов учета аберраций – метафазного и анафазного – лучшим является метафазный. Поэтому в начале работы была предпринята попытка применить последний. По рекомендациям Немцовой (1970), необходимым условием возможности применения метафазного метода является получение четкого кариотипа. Применяя различные способы обработки прорастающих семян (проращивание в колхицине, парадихлорбензоле, 8-оксихинолине, комбинируя эти вещества и, наконец, в дистиллированной воде) мы не получили хорошего кариотипа. Хромосомы никогда не лежали в одной плоскости и очень редко можно былоразличить центромеры (фото 1). Кроме того, для наших целей неприменима обработка цитазой, которая наверняка дала бы хорошие результаты.

В тех случаях, когда невозможно получение четкого кариотипа и идентификации хромосом, анафазный метод дает более точные результаты, чем метафазный. Поэтому в нашей работе был применен анафазный метод учета перестроек хромосом. При применении анафазного метода использовали выработанные формальные критерии для унификации результатов. Полученные для семян различных видов. Несмотря на то, что анафазный метод является чрезвычайно широко распространенным, найти его строгое описание в литературе не удалось. Поэтому необходимо использованные в работе формальные критерии здесь изложить.

На каждом препарате, приготовленном из одного корешка, учитывали по 70 анафазных и телофазных клеток. При этом клетки, не соответствующие принятым нормам, отбрасывались. Критерии выбраковки следующие:

1. Расстояние между анафазными (телофазными) группами меньше ширины одной анафазной (телофазной) группы (фото 2-а);

2. Началось образование фрагмопласта между телофазными группами (фото 3);

3. Имеет место наложение клеток (фото 2-б);

4. Нарушена целостность оболочки клетки (фото 4).

Оставшиеся анафазные и телофазные клетки. Признанные годными для учета, распределяли по десяти классам в зависимости от отсутствия или наличия в клетке того или иного типа аберрации:

1. Нормальные клетки (фото 5);

2. Клетки с одним или несколькими одиночными фрагментами (фото 5);

3. Клетки с парным фрагментом, причем парными считали два фрагмента одинаковой длины, расположенные близко и параллельно друг другу (фото 6);

4. Клетки с хроматидным мостом (фото 7);

5. Клетки с хроматидным мостом и одиночным фрагментом (фото 8-а);

6. Клетки с хроматидным мостом и парным фрагментом;

7. Клетки с хромосомным мостом;

8. Клетки с хромосомным мостом и одиночным фрагментом (фото 8-б);

9. Клетки с хромосомным мостом и парным фрагментом (фото 9 и 10-а);

10. Клетки, в которых не удавалось определить тип аберрации, относили к классу клеток с неразобранными аберрациями (фото 10-в).

Далее производили подсчет общего числа просмотренных клеток и числа аберраций каждого из пяти классов: а) одиночные фрагменты; б) парные фрагменты; в) хроматидные мосты; г) хромосомные мосты; д) неразобранные аберрации.

Несмотря на выполнение всех вышеприведенных условий, полной гарантии отсутствия ошибок в определении уровня мутирования быть не может. Наибольшему воздействию субъективных влияний подвержены классы фрагментов, особенно одиночных. Причем действие искажающих факторов неодинаково для бобов и вики. Связано это с тем, что хромосомы вики намного меньше и вероятность «не заметить» фрагмент в анафазной клетке вики больше, чем в клетке бобов. Классы мостов при этом менее подвержены искажениям.

Перед нами не стоит задача определения абсолютного уровня мутирования, нам необходимо произвести сравнение мутационного процесса. Поэтому в качестве численной характеристики естественного мутационного процесса было решено использовать число мостов, хроматидных и хромосомных, на сто просмотренных анафазных и телофазных клеток.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Всхожесть. На рис. 5-а представлена динамика наклевывания семян двух видов различного срока хранения. Доля наклюнувшихся семян со 150 часов после начала замачивания остается практически постоянной. Через 250 часов после начала замачивания все ненаклюнувшиеся семена оказались погибшими. Всхожесть в зависимости от срока хранения у двух видов представлена на рис. 5-б.

Семена бобов практически не потеряли всхожесть за три года хранения. Снижение всхожести у бобов со 97,5% у семян 1971 года урожая (полгода хранения) до 95,0% у семя 1968 года урожая (3,5 года хранения), т.е. за три года на 2,5%, недостоверно.

Падение всхожести у вики, в отличие от бобов, вполне заметное. За три года хранения всхожесть изменилась с 96,4% (семена урожая 1971 года) до 85,4% (урождай 1968 года), т.е. на 14,6%. Интересно, что в начале проращивания скорость прорастания была выше у семян 1968 года урожая, особенно у бобов (рис 5-а).

Этот факт по-видимому объясняется тем, что семена 1968 года урожая были получены с селекционной станции, где были выполнены все те необходимые условия уборки и послеуборочной обработки, которые не могли быть выполнены авторами этой работы при получении урожая в 1971 году.

Уровень мутирования. Изменение общего уровня мутирован Ия, выраженное в числе аберраций на сто клеток, для семян бобов и вики различного срока хранения представлено на рис. 6-а (здесь и далее на всех без исключения последующих рисунках цветные обозначения сохранены те же, что на рис 5).

За срок хранения уровни мутирования у обоих видов увеличиваются. У бобов происходит увеличение с 3,18 до 13,1, у вики – с 1,41 до 3.31. т.е. за три года хранения у бобов имеет место увеличение уровня мутирования на 9,92, у вики на 1,9. как будет видно ниже, более значительное увеличение уровня мутирования у бобов происходит в основном за счет фрагментов. При сравнении мутирования только по мостам (рис. 6-б) видно, что в этом случае за три года хранения у бобов и у вики практически одинаково. У бобов повышение на 1,21 (с 0,42 до 1,63), у вики – на 1,03 (с 0,47 до 1,50). Т.о., при использовании в качестве численного выражения мутационного процесса числа мостов на сто клеток, резкие различия в уровнях мутирования между двумя нашими видами нивелируются.

Спектр аберраций. Изменение числа аберраций на сто просмотренных клеток каждого из пяти классов (одиночные фрагментов, парные фрагменты, хроматидные мосты, хромосомные мосты, неразобранные аберрации) у бобов и вики за три года хранения представлено на рис 7-а. Хорошо видно, что увеличение уровня общего мутирования у семян бобов 3,5 года хранения происходит в основном за счет одиночных фрагментов. Уровни мостов, особенно хроматидных, меняются у различных видов примерно одинаково.

На рис. 7-б представлено изменение долей аберраций каждого класса от общего числа аберраций для семян двух видов двух сроков хранения. Можно видеть, что спектр аберраций за изученное время хранения ни для вики, ни для бобов практически не меняется. Но зато имеет место существенное отличие в спектрах между видами. В спектре аберраций бобов наибольшая доля принадлежит одиночным фрагментам, а у вики увеличена доля хроматидных мостов. Увеличения числа хромосомных аберраций (парных мостов и парных фрагментов) по сравнению с хроматидными практически не происходит.

Обсуждение. Как было описано в обзоре, пара видов – бобы обыкновенные и вика посевная – удовлетворяют необходимым условиям определения относительной аллогенетической продвинутости.

1. Бобы и вика являются близкими систематически, гомеологичными по содержанию фракций повторов различной степени повторяемости в геноме видами.

2. По морфологическому критерию можно определить, что вика является более приспособленным, продвинутым в сторону от ствола эволюции видом, а бобы – более примитивным. Для бобовых, к которым принадлежат выбранные виды, использованным морфологическим критерием приспособленности является переход от эректоидного стебля к цепляющемуся или ползучему.

Нами определены уровень мутирования и всхожесть для семян двух сроков хранения каждого вида, т.е. получены данные для определения уровня эффективного мутирования.

Использование в качестве выражения уровня мутирования числа мостов на сто изученных клеток приводит к тому, что отличия между видами бобов и вики по уровню мутирования нивелируются. Т.о. абсолютные величины накопленных за три года хранения семян аберраций (мостов) одинаковы (рис. 6-б). Как указывалось ранее, эволюционное значение может иметь не абсолютный уровень мутационного процесса, а соотношение последнего и давления отбора. Следовательно, нам необходимо определить уровни эффективного мутирования для обоих видов (т.е. число накопленных при хранении семян аберраций, в данном случае только мостов, при увеличении доли погибших семян на один процент). На рис. 8-б представлен характер относительного изменения числа мостов на сто клеток и числа семян, потерявших всхожесть, для изученных видов.

Мы можем установить только самый общий характер зависимости этих параметров друг от друга, т.к. исследование велось всего для двух точек, соответствующих двум срокам хранения каждого вида. На рисунке хорошо видно, что у бобов естественный отбор допускает значительно большую частоту аберраций. Уровень эффективного мутирования вида определяется на рисунке как тангенс угла наклона линии, проведенной через соответствующие данному виду точки. Для получения численного выражения уровня эффективного мутирования необходимо разделить число аберраций (мостов на сто клеток), накопленных в процессе хранения, на увеличение за тот же срок хранения доли непрорастающих семян в процентах. Тогда эффективный уровень мутирования для бобов составляет:

Т.о. можно сделать два вывода:

а) у двух видов-гомеологов с различным эволюционным состоянием уровень эффективного мутирования различен;

б) у более специализированного вида – вики – уровень эффективного мутирования значительно ниже.

Полученные нами экспериментальные данные не противоречат теоретическим построениям, проведенным в обзоре: при приспособлении к конкретным экологическим условиям уровень изменчивости должен уменьшаться. Можно ли отсюда сделать вывод о том, что аллогенез на генетическом уровне должен сопровождаться уменьшениемэффективного мутирования? К сожалению, существуют три возражения против такого вывода. Они будут приведены несколько ниже.

Для того, чтобы попытаться выяснить причину высокого эффективного мутирования у бобов (т.е. значительно большая величина уровня мутирования при одинаковом давлении отбора, чем у вики), сделали следующее. Поскольку в клетке бобов в 5,05 раз больше ДНК, чем в клетке вики, отнести уровень эффективного мутирования у бобов к единице количества ДНК (Chooi, 1971). За единицу считалось количество ДНК вики. При этом приведенный уровеньэффективного мутирования для бобов получился следующий:

Поскольку приведенные к единице количества ДНК величины уровней эффективного мутирования – 0,096 для бобов и 0,094 для вики – практически одинаковы, можно сделать следующий вывод. Больший уровень эффективного мутирования у бобов возможно определяется большим количеством ДНК. Заметим однако, что это может рассматриваться лишь весьма гипотетично, т.к. вместо кривых зависимости уровней аберраций от потери всхожести мы имеем лишь по две точки для каждого вида.

Теперь мы должны привести три возражения, ставящие под сомнение возможность теоретического обобщения полученных результатов.

1. Когда работа уже подходила к концу, выяснилось, что систематики выделили вид Vicia faba в самостоятельный род Faba. К сожалению, систематика и филогения по признаниям самих ботаников для бобовых еще не отработана. Морфологические критерии для этих целей очень плохи. Они позволяют хорошо определять направление эволюционной продвинутости, но не могут считаться доказательными при определении филогенетического родства. Для определения последнего нам кажется более надежным показателем гомеология ДНК.

2. Известно, что необычайно высокий уровень мутирования в семенах бобов может определяться накоплением в них некоторых обычных веществ в необычно высоких концентрациях. Происходит это вследствие нарушения нормального процесса дыхания. При проращивании семян в условиях свободной циркуляции воды такого накопления не происходит. Насколько отличаются экспериментальные условия от природных, мы не знаем. Но по-видимому в почве вымывание происходит легче. С другой стороны, показано, что уровень мутирования при проращивании в условиях анаэробиоза возрастает в основном за счет фрагментов, которые в настоящей работе не учитывали (Rieger & Michaelis, 1958).

3. Оба использованных вида, как бобы, так и вика, являются в значительной степени окультуренными. В какой степени, оценить трудно (т.е. невозможно оценить влияние естественной и искусственной эволюции – селекции). С другой стороны, вероятно влияние селекции не так велико, т.к. эти бобовые были окультурены очень давно. Поэтому их селекция проводилась в ранний период развития человечества и была в значительной степени случайной. Но уже сам факт окультуренности этих видов ставит под сомнение «естественность» механизмов различий между ними, имеющих эволюционный смысл.

Таким образом, можно привести более или менее состоятельные доводы против каждого возражения.

ВЫВОДЫ

1. Предложен алгоритм проведения сравнения характеристик вида, имеющих эволюционное значение, у группы близких видов, различающихся по степени морфофизиологической приспособленности.

2. Показано, что за три года хранения в семенах двух видов-гомеологов происходит одинаковое накопление аберраций, измеренных по мостам.

3. Показано, что уровень эффективного мутирования (величина, отражающая соотношение уровня мутационного процесса и эффективности отбора в семенах против повреждений) ниже у вики посевной, являющейся морфологически более приспособленной. У более примитивного вида – бобов обыкновенных – уровень эффективного мутирования выше.

4. Полученные данные согласуются с теоретическими предпосылками. Эволюционный процесс аллогенеза должен сопровождаться на генетическом уровне редукцией общего уровня изменчивости.

Дополнение: повреждений тем больше, чем больше срок хранения или количество ДНК.

В заключение я хочу выразить всем, благодаря кому данная работа была осуществлена, глубокую благодарность. В первую очередь моему руководителю Нине Николаевне Орловой за специально для меня подобранную интереснейшую тему работы, готовность в любую трудную минуту придти на помощь и непосредственное участие в работе. Часть материала была просмотрена Ниной Николаевной. Несмотря на то, что в работах по учету аберраций хромосом является необходимым участие по крайней мере двух наблюдателей, для меня является большой честью, что мой руководитель является также моим соавтором.

Я хочу также выразить благодарность всем, кто так или иначе участвовал в обсуждениях: Н.П.Рогатых, Н.В.Глотову, Г.В.Дерягину, Д.А.Транковскому, И.В.Полумордвиновой. В частности, Николай Васильевич Глотов, для того, чтобы выяснить, существует ли эволюционный механизм определения числа хромосом, предложил изящную идею использовать виды с диффузной центромерой. Хочу также поблагодарить А.Б.Иорданского за предоставленный материал.

В заключение не могут не отметить мою постоянную помощницу Наталью Николаевну Вастерову, выполнившую огромный объем технических операций при подготовке таблиц, рисунков, фотографий, правке и т., необходимых при подготовке работы.

Л.М.

ЛИТЕРАТУРА

Кроме того, должны происходить такие изменения: редукция соотношения полов (у раздельнополых), переход к агамным партеногенетическим формам и т.д. Наша задача – рассмотреть возможный тип изменения в аллогенезе общего уровня изменчивости, т.е. все той изменчивости, которая находится в активе эволюционирующего вида. Можно выделить три класса такой изменчивости:

а) мутационная;

б) комбинативная;

в) модификационная;

Дополнение – г) вариативная (волны жизни).

Можно выделить факторы, поставляющие изменчивость соответствующих классов, и характеристики вида, определяющие действие соответствующего фактора.

Фотографии и рисунки см.: http://www.leo-mosk.narod.ru/diplom.html

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА

Биолого-почвенный факультет

Кафедра генетики и селекции

Сравнение естественного мутационного процесса в воздушно-сухих семенах двух видов-гомеологов – вики посевной Vicia sativa и бобов обыкновенных Faba vulgaris (прежнее название Vicia faba)

Дипломная работа студента V курса Л.И.Московкина

Научный руководитель канд. биол. наук, доцент Н.Н.Орлова

Москва - 1972

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Обзор литературы

1. Эволюционное состояние вида. Уровень изменчивости как возможная функция эволюционного состояния

2. Виды-гомеологи

3. Характер изменения числа групп сцепления в ходе аллогенетического процесса

4. Возможный характер изменения количества ДНК на хромосомный набор в ходе аллогенетического процесса

Материал и методика

Результаты и обсуждение

Выводы

Приложения

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Впервые факт накопление повреждений в воздушно-сухих семенах был замечен Де-Фризом в 1901 году. Но правильно объяснить его Де-Фриз не смог. Имеющимся знаниям о естественном мутационном процессе в семенах и его причинах мы обязаны фундаментальным исследованиям М.С.Навашина и его сотрудников.

Как показали работы Навашина, гибель как отдельных клеток, так и целого зародыша происходит вследствие накопления мутационных повреждений во время хранения. Но почему-то у одних видов растений гибель зародыша происходит уже при низких уровнях мутирования, тогда как у других даже при высоких степенях повреждения семя не теряет способности прорастать. Каков механизм, определяющий различную эффективность отбора против повреждений у различных видов растений, пока неясно. Нам представляется необходимым для ответа на этот вопрос привлечение современных теоретико-эволюционных представлений, т.к. одних только генетических данных для этого недостаточно.

В настоящей работе проделано следующее.

Теоретически показано, что процесс аллогенеза в эволюции на генетическом уровне может сопровождаться редукцией общего запаса изменчивости вида.

Предложен общий алгоритм, разработанный для определения наличия связи между той или иной характеристикой вида и степенью его аллогенетической продвинутости.

Разобрано, каким образом изменяются в эволюции генетические характеристики вида, определяющие уровень изменчивости различных классов – число групп сцепления и количества ДНК на геном. Т.к. изменение числа хромосом в эволюции изучено к настоящему времени очень хорошо (имеется много литературных данных), предложено использовать этот параметр в качестве характеристики относительного эволюционного состояния близких видов.

Предпринята попытка выяснить, как могут меняться при приспособлении вида к конкретным экологическим условиям такие важные характеристики, как истинный уровень мутирования и соотношение действия естественного отбора и мутационного процесса.

В качестве объекта использованы покоящиеся воздушно- сухие семена, т.к. в этом случае возможно выделение самостоятельных эффектов действия естественного мутационного процесса и естественного отбора. В обычных метаболирующих тканях как правило возможно только наблюдение динамического равновесия эффекта действия этих факторов.

Введен специальный параметр, отражающий соотношение скорости накопления повреждений в семени и эффективности действия отбора в проростке – уровень эффективного мутирования (уровень накопленных в семени аберраций за такой срок хранения, при котором происходит увеличением доли не прорастающих семян на один процент).

Получены данные о возможных отличиях в уровне эффективного мутирования у двух видов, отличающихся по степени морфологической приспособленности.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эволюционное состояние вида. Уровень изменчивости как возможная функция эволюционного состояния

На сегодняшний день можно выделить два главных типа эволюции группы организмов: а) арогенез – переход в иную адаптивную зону благодаря приобретению общих приспособлений (повышение уровня организации), позволяющих выйти за границы прежней адаптивной зоны; б) аллогенез – возникновение многих близких форм, различающихся адаптациями одного масштаба (приспособления к конкретным экологическим условиям) (Тимофеев-Ресовский и др., 1969, стр. 223-224; Матвеев, 1967, стр. 154). Хотя вопрос о выделении двух или трех типов эволюционного процесса является спорным, нам кажется целесообразным выделить именно два вышеприведенных пути, объединив процессы идиоадаптации и специализации (как правило сопровождающейся морфофизиологическим регрессом) в единый процесс аллогенеза (начальную и конечную его стадии) (Северцов, 1967, стр. 137-138). Причина этого состоит в том, что на уровне генетическом можно выделить два и только два процесса, сопровождающие эволюционный процесс: а) увеличение общего запаса изменчивости вида и б) редукция общего запаса изменчивости. Под запасом изменчивости вида здесь понимается вся та изменчивость (генетически обусловленная), существующая в недрах вида, позволяющая ему эволюционировать в отдельных случаях быстрее, чем возможно, используя только мутационную изменчивость, поставляемую спонтанным мутационным процессом de novo. В совокупности с последней запас изменчивости составляет средний уровень изменчивости. Дело в том, что частота вновь возникающих мутаций у самых различных организмов варьирует в пределах одного порядка (Тимофеев-Ресовский и др., 1969, стр. 74-75) в то время как темпы эволюции изменяются в очень широких пределах, от очень высоких до почти полной стабильности (Тимофеев-Ресовский и др., 1969, стр. 313; Северцов, 1939, стр. 91-92). Тимофеев-Ресовский с соавторами (1969, стр. 306) считают, что предположения о повышении мутабильности на отдельных этапах эволюции (например, арогененных перестроек) необоснованны.

Следовательно, для протекания процессов арогенеза необходим запас изменчивости, накопленной заранее (добавление: Сергей Гершензон применил название «мобилизационный резерв вида»). Это вполне согласуется со скачкообразностью процессов арогенеза (Северцов, 1939, стр. 91-92), т.к. непосредственно во время прохождения арогенеза вследствие необычно высоких давлений отбора (Тимофеев-Ресовский и др., 1969, стр. 224) группа утрачивает значительную часть запаса изменчивости и необходимы периоды покоя между отдельными арогенезами для ее накопления. С другой стороны, можно предположить, что чем более высоко адаптирован данный вид к конкретным условиям существованиям, тем более эффективный отбор действует у этого вида против любого изменения, отклоняющего приспособленность от оптимальной. Суммируя, можно выделить стволовой путь эволюции (филогенеза), к которому принадлежат виды, потенциально способные пройти арогенез, накапливающие изменчивость; и боковые пути, к которым принадлежат виды, находящиеся в состоянии приспособления к конкретным условиям среды, т.е. проходящие аллогенез. При этом у последних происходит редукция общего запаса изменчивости и чем дальше они заходят по пути приспособления от ствола эволюции, тем более утрачивают способность к повышению общей организации, т.е. арогенезу. Виды, прошедшие крайнюю стадию аллогенеза – специализацию – вообще не способны к дальнейшей эволюции (Северцов, 1867, стр. 139).

Для облегчения дальнейшего изложения введем условное понятие эволюционного состояния вида, представляющее совокупность двух параметров – {x, y}. Здесь x характеризует расстояние, пройденное видом по пути аллогенеза в сторону от ствола эволюции; а y определяет тот путь усложнения общей организации и накопления изменчивости, который прошли предки данного вида. В качестве иллюстрации можно привести следующую схему эволюционного процесса (рис. 1).

Каждая точка A графика соответствует некоторому виду (современному или ископаемому), определяет пару {x_A, y_A} и оказывается эволюционно достижимой из любой точки B такой, что x_B = 0 и y_B ≤ y_A или y_B = y_A и x_B ≤ x_A.

Иными словами, точка A достижима из любой точки на стволе, соответствующей уровню организации ниже, чем определяемый точкой A. Т.о. между множеством всех точек графика {A}, множеством всех эволюционных состояний {x_A, y_A} и множеством всех путей эволюции, которые мы можем прочертить на рисунке (пути филогенеза) существует взаимнооднозначное соответствие. Это соответствует необратимости эволюции. Наша схема не противоречит предложенной А.Н.Северцовым (Северцов, 1967, стр. 119), т.к. последняя описывает только морфофизиологический уровень эволюции. Интересно, что на этом уровне эволюция обратима – это подтверждается существованием видов-двойников (например, Microtus arvalis и Microtus subarvalis), морфологически практически неразличимых, но обладающих различным эволюционным состоянием. Схеме Северцова соответствует обратимость эволюции. Схема эволюции, предлагаемая Тимофеевым-Ресовским (Тимофеев-Ресовский и др., 1969, стр. 225), более соответствует нашей, чем схеме Северцова.

Каждому эволюционно у состоянию вида (т.е. паре {x, y} ) соответствует определенный уровень генетической изменчивости, который уменьшается при увеличении x (т.е. при движении в сторону от ствола эволюции). Это вполне согласуется с мнением Тимофеева-Ресовского с соавторами о том, что средняя стабильность генетических структур (реципрок генетической изменчивости) имеет некоторое оптимальное значение, вырабатываемое эволюционно в процессе естественного отбора (Тимофеев-Ресовский и др., 1979, стр. 75).

В ходе аллогенеза различные характеристики вида логически должны меняться следующим образом:

0,484

─────

5,05

= 0,096 (на рис. 8-б это соответствует нижней линии).