Цитоплазматическая наследственность. Цитоплазматическая стерильность

Цитоплазматическая наследственность. Цитоплазматическая стерильность

     ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

          Хромосомная теория наследственности установила ведущую роль ядра и находящихся в нем хромосом в явлениях наследственности. Но в то же  время уже в первые годы формирования генетики как науки были известны факты, показывающие, что наследования некоторых признаков связано с нехромосомными компонентами клетки и не подчиняется менделеевским закономерностям, основанным на распределении хромосом во время мейоза.

          В 1908 – 1909 гг. К. Корренс и одновременно независимо от него Э. Баур описали пестролистность у растений ночной красавицы и львиного зева, которая наследуется через цитоплазму. В последующие годы подобные наблюдения были сделаны на других объектах. Все они правильно истолковывались как примеры цитоплазматической наследственности, но тем не менее их долгое время рассматривали просто как отдельные отклонения от законов Г. Менделя.

Дальнейшее изучение явлений наследственности привело к необходимости установить не только механизм передачи генов хромосом от одного поколения организмов другому, но и то, как эти гены контролируют процессы клеточного метаболизма и развитие определенных признаков и свойств. Поэтому клетку стали рассматривать как единую целостную систему, определяющую передачу и воспроизведение признаков в потомстве в результате взаимодействия компонентов ядра (генов хромосом) и цитоплазмы, что можно показать на примере приобретения ею способности к фотосинтезу. Фотосинтез связан с цитоплазматическими структурами клетки – пластидами и находящимся в них пигментом хлорофиллом. Образование и функции пластид обусловливаются наследственными факторами и действием внешних условий (главным образом света, без которого хлорофилл в пластидах не образуется). Мутации в некоторых локусах хромосом могут частично или полностью нарушать процесс образования пластид и содержащегося в них хлорофилла. Эти так называемые хлорофильные мутации наследуются, строго подчиняясь закономерностям Г. Менделя. Но аномальные (белые) пластиды могут образовываться в клетках нормальный набор генов, и при хорошем освещении. Этот признак не наследуется по правилам Г. Менделя. При делении клетки, содержащей указанные аномальные пластиды, образуются дочерние клетки с такими же пластидами, но при скрещивании этот признак передается только по материнской линии, и, следовательно, он связан не с хромосомами, а с цитоплазмой. Таким образом, важнейшее свойство клетки – ее способность к фотосинтезу – определяется взаимодействием генов хромосом, структурных элементов цитоплазмы и условий внешней среды.

          Генетическому материалу хромосомного набора (геному) соответствует плазмон, включающий весь генетический материал цитоплазмы. Подобно генам хромосом. В структурных элементах цитоплазмы – пластидах, кинетосомах, митохондриях, центросомах и основном ее веществе находятся материальные носители нехромосомной наследственности – плазмогены. Они могут определять развитие некоторых признаков клетки, способны удваивать их воспроизвести, при делении материнской клетки они распределяются между дочерними клетками.

          Возможно, что цитоплазматическая наследственность обусловлена также долгоживущих молекул и-РНК или с избирательной трнскрипцией молекул и-РНК только с генов материнскойхромосомы.

          Наиболее полно изучены две формы цитоплазматической наследственности: пластидная и цитоплазматическая мужская стерильность.

ПЛАСТИДНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

          Среди органоидов цитоплазмы генетическая непрерывность впервые была установлена для пластид. У многих видов растений встречаются особи, лишенные окраски, или такие, у которых в листьях имеются отдельные неокрашенные участки ткани. Клетки их вообще не имеют видимых пластид или содержат пластиды, не способные образовывать хлорофилл. Растения, лишенные зеленой окраски, - альбиносы, нежизнеспособны и обычно погибают в фазе проростков. Но отдельные участки ткани без зеленой окраски развиваются в зеленом листе, питаясь за счет нормальных тканей, снабжающих их продуктами фотосинтеза.

          Во многих случаях изменения в структуре и функциях пластид связаны с мутациями одного хромосомного гена. У кукурузы, ячменя и некоторых других культур изучены многочисленные хлорофильные мутации, наследующиеся по правилам Г. Менделя. Однако часто наследование таких изменений не подчиняются менделеевским закономерностям, и объяснить его можно только исходя из представления о генетической непрерывности пластид. Электронно-микроско- пическими и авторадиографическими методами доказано существование в пластидах ДНК‑содержащих областей. В них находятся специфические рибосомы. Зеленые пластиды способны синтезировать ДНК, РНК, белок.

          У ночной красавицы имеется пестролистная разновидность. На одном и том же растении наряду с зелеными ветвями имеются ветви с листьями, на которых зеленая ткань чередуется с бесцветными полосами и пятнами. Цветки на зеленых ветвях такого пестролистного растения независимо от того, какой пыльцой опылять их, дают семена, из которых всегда вырастают нормальные зеленые растения. Семена с ветвей, листья на которых лишены зеленой окраски, дают неокрашенные бесхлорофилльные проростки. Из семян, завязавшихся на пестролистных побегах, образуется смешанное в различном соотношении потомство, состоящее из зеленых, пестролистных и неокрашенных растений.

          Аналогичное явление наблюдалось у пестролистных растений львиного зева, пеларгонии, энотеры, подорожника. Эти факты можно объяснить, предположив, что у пестролистных растений имеется два типа пластид: нормальные и аномальные, не способные образовывать хлорофилл. При размножении из нормальных формируются нормальные, а из аномальных – аномальные (белые) пластиды. Из семяпочки, включающей оба типа пластид, путем митотических делений образуется яйцеклетки, несущие только белые или и те и другие пластиды одновременно.  

          Односторонняя, исключительно по материнской линии, передача признаков, связанных на примере реципрокных скрещиваний пестролистных растений и нормальных зеленых   растений. Пестролистное растение, если его берут в качестве материнской формы, образует три типа яйцеклеток: с зелеными, смешанными и белыми пластидами. Поскольку спермии отцовского зеленолистного растения пластид не содержат, такое скрещивание даст смешанное потомство, в котором число различных растений будет определяться случайным характером распределения пластид при макроспорогенезе. В обратном скрещивании зеленолистное растение будет образовывать яйцеклетки с зелеными пластидами. Оплодотворяемые спермиями пестролистных растений, они дадут потомство, состоящее только из растений с зелеными листьями. Следовательно, при реципрокных скрещиваниях между нормальными зеленолистными растениями или цветками с нормальными зеленолистных побегов пестролистной особи и цветками с растений или побегов, несущих аномальные пластиды, тип пластид и характер возникающего потомства определяется материнской формой. Нормальное материнское растение дает только нормальное потомство, а аномальное – только аномальное независимо от фенотипа отцовской формы.

                 ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СТЕРИЛЬНОСТЬ

          У многих видов растений с обоеполыми цветками и однодомных изредка встречаются единичные особи со стерильными мужскими генеративными органами. Такие факты были известны еще Ч. Дарвину. Он их рассматривал как склонность вида переходить от однодомности к двудомности, которую в эволюционном отношении считал более совершенной. Таким образом, формирование особей, имеющих мужскую стерильность, представляет собой естественное явление эволюционного процесса.

          Мужскую стерильность впервые обнаружил К. Корренс в 1904 г. у огородного растения летний чабер. В 1921 г. В. Бэтсон нашел ее у льна, в 1924 г, американский генетик Д. Джонс – у лука, в 1929 г. А.И.Купцов – у подсолнечника.

          В 1932 г. М.И. Хаджисимо от него американский генетик М. Родс обнаружили мужские стерильные растения у кукурузы. В дальнейшем было установлено, что мужская стерильность широко распространение среди цветковых растений. Мутации, вызывающие мужскую стерильность, описаны в настоящее время у большинства культурных растений.

          Мужская стерильность бывает при отсутствии пыльцы или неспособны ее к оплодотворению и проявляется в трех основных формах:

1)     Мужская генеративные органы – тычинки – совершенно не развиваются; подобные явление наблюдается у растений некоторых видов табака;

2)     Пыльники в цветках образуются, но пыльца их нежизнеспособна; эта форма стерильности чаще всего встречается у кукурузы;

3)     В пыльниках образуется нормальная пыльца, но они не растрескиваются и пыльца не попадает на рыльца; это очень редкое явление наблюдается иногда у некоторых сортов томата.

          Мужская стерильность генетически может обуславливаться генами стерильности ядра и взаимодействием ядерных генов и плазмогенов. В соответствии с этим различают два вида мужской стерильности: ядерную, или генную, и цитоплазматическую. Ядерная стерильность вызывается мутациями хромосомных генов ms. В связи с тем, что гены стерильности рецессивные, а гены фертильности доминантные, при этом типе наследования стерильности от скрещивания стерильности растений с фертильными все растения F1 бывают фертильными  (msms  х   MsMs               Msms) , а в  F2 происходит расщепление на фертильные и стерильные формы в отношении 3:1 в последующих поколениях число стерильных растений от такого скрещивания непрерывно уменьшается. В настоящее время разрабатываются приемы использования генной стерильности для получения гетерозисных гибридов хлопчатника, подсолнечника и некоторых других культур.

В образце дикой однолетней свеклы обнаружена полная мужская стерильность, обусловленная одним рецессивным геном ms. Методом насыщающих скрещиваний этот ген перенесен в сахарную свеклу. У этой культуры он действует независимо от генов X и Z, восстанавливающих фертильность пыльцы у форм с S-цитоплазмой.

          Для объяснения причин возникновения цитоплазматической стерильности были выдвинуты три гипотезы. Одна из них, известная под названием вирусной, связывает возникновение мужской стерильности с вирусной инфекцией, которая может передаваться при половом размножении через цитоплазму яйцеклетки.

          Вторая гипотеза рассматривает возникновение ЦМС как результат несоответствия цитоплазмы и ядра разных видов при отдаленной гибридизации. Действительно, в  ряде случаев, например при скрещивании  мягкой  пшеницы   Triticum   aestivum   с Tr Aestivum,  возникают формы с ЦМС. Однако у многих культур  обнаружена ЦМС,  не связанная с отдаленной гибридизацией. Поэтому наибольшее признание в настоящее время получила гипотеза, рассматривающая возникновение ЦМС в результате специфических  мутаций плазмогенов.

          Можно утверждать, что цитоплазматическая мужская стерильность обусловлена наследственными  изменениями  (мутациями) цитоплазмы. Она обычно полностью сохраняется в  F1 и последующих поколениях у всех растений. При этом  типе наследования стерильное растение,  например кукуруза, опыленное пыльцой другого сорта или линии, дает потомство, у которого метелка остается стерильной, а остальные признаки изменяются,  как обычно при гибридизации.  Признак мужской стерильности сохраняется,  даже когда  все 10 пар хромосом у кукурузы  таких  стерильных по  пыльце  растений  замещаются  в  повторных  скрещиваниях  хромосомами  от растений с нормальной, фертильной пыльцой. Из этого следует,  что мужская стерильность устойчиво передается из поколения в поколение по материнской линии,  а наследственные факторы, ее обусловливающие,  не находятся в хромосомах ядра.

          Характер наследования ЦМС хорошо изучен в реципрокных скрещиваниях растений с мужской стерильностью,  иногда дающих в небольшом количестве фертильную пыльцу,  с  нормальными фертильными растениями.  При опылении растений стерильной линии фертильной пыльцой признак стерильности передается гибридам F1 и последующих поколений.  Если такое скрещивание продолжается,  то происходит постепенное замещение генов стерильной линии генами линии с фертильной пыльцой.  Цитоплазма материнской  стерильной линии постепенно  насыщается ядерным наследственным материалом отцовской фертильной линии.

          С  каждым скрещиванием у материнской линии остается все меньше и меньше своих наследственных факторов,  они заменяются факторами линии,  взятой для насыщающего скрещивания.  В результате шести-семи возвратных скрещиваний и отбора получаются растения,  по всем признакам сходные с отцовской линией,  но обладающие мужской стерильностью.  Их называют  стерильными аналогами фертильных линий,  использовавшихся в качестве отцовской формы.

          При  опылении растений фертильных линий пыльцой,  которая изредка образуется у растений стерильных линий,  гибриды F1 имеют фертильную пыльцу и при дальнейшем размножении дают растения только с фертильной пыльцой.  Следовательно,  ЦМС не может быть передана через мужское растение,  но стойко передается из поколения в поколение по материнской линии.

          Результаты рассмотренного скрещивания,  казалось бы,  не оставляют никаких сомнений в том,  что признак ЦМС генетически связан только с внехромосомными факторами.  Но дальнейшее изучение наследования ЦМС показало,  что не во всех скрещиваниях  стерильных растений с фертильными получается потомство  со стерильной пыльцой.  В некоторых случаях признак стерильности полностью подавляется у гибридов  F1 и совершенно не проявляется при дальнейшем их размножении или,  начиная с F2,  происходит расщепление на фертильные и стерильные по пыльце растения.

          В результате изучения и обобщения экспериментального материала по наследованию мужской стерильности возникло представление о том,  что это свойство обусловлено взаимодействием  цитоплазмы и генов хромосом, составляющих вместе генетическую систему.  Цитоплазма,  обусловливающая стерильность пыльцы,  получила название ЦИТs  (стерильная цитоплазма),  а цитоплазма,  дающая растения с фертильной пыльцой, -ЦИТn(нормальная цитоплазма).  Существует локализованный в хромосомах доминантный ген Rf  (от начальных  букв restoring fertility-  восстанавливающий фертильность), который,  не изменяя структуры и специфичности стерильной цитоплазмы,  в то же время препятствует ее проявлению.  Стерильная цитоплазма проявляет свое действие только в сочетании с рецессивными аллеями этого гена.  Следовательно,  только сочетание ЦИТ srfrf может обусловить развитие стерильной пыльцы.  Фертильная пыльца образуется на основе нормальной цитоплазмы в сочетаниях ЦИТn RfRf,  ЦИТn Rfrf и ЦИТn rfrf и на основе стерильной  цитоплазмы в сочетаниях  ЦИТs RfRf и ЦИТs Rfrf.  Таким образом,  наследование ЦМС по материнской линии возможно только в скрещиваниях растений

ЦИТs rfrf    x   ЦИТn rfrf

ЦИТs rfrf  (стерильность закрепляется).

           Скрещивание ЦИТs rfrf x ЦИТn (s) RfRf  все растения будут фертильными,  т.  е.  происходит полное восстановление фертильности.

          Мы разобрали наиболее простой случай наследования стерильности, связанный с взаимодействием стерильной цитоплазмы и одной аллельной пары генов. В настоящее время изучены более сложные генетические системы ЦМС, связанные в проявлении стерильности пыльцы с двумя и тремя генами. Мужская стерильность у сахарной свеклы обусловлена взаимодействием стерильной цитоплазмы (ЦИТs) с двумя ядерными генами (X и Y) и передается в потомстве только по материнской линии. Растение с двумя рецессивными генами и стерильной цитоплазмой имеет генетическую структуру Sxxzz, что дает полную стерильность пыльцы. Полустерильные типы растений являются гетерозиготными по генам  X и Z формами: SXxzz, SXXzz, SxxZz, SxxZZ, SXxZz, SXXZz, SXxZZ, SXXZZ. Популяции фертильных растений (ЦИТn) имеют особи с различной наследственной структурой и в их потомстве могут проявляться те или иные типы стерильности. Опыление пыльцой растений Nxxzz дает полностью стерильные линии. Если же опылитель является дигетерозиготным по генам X и Y, то в потомстве будут все три типа стерильности: Sxxzz x NXxZz → SXxZz, SXxzz, SxxZz, Sxxzz. На проявление стерильности, кроме генетических факторов, некоторое влияние оказывают внешние условия. Например, мужская стерильность лучше восстанавливается при прохладной погоде, достаточной влажности почвы и воздуха в период цветения растений, при укороченном дне и недостатке азота в почве.

          ЦМС широко используется при создании на стерильной основегетерозисныхгибридов кукурузы и некоторых других культур                                                     ЦМС вызывает у растений кукурузы ряд изменений: уменьшается число листьев (на 3-4%),  снижается рост растений (до4-5%),  наблюдается небольшая депрессия и по другим признакам. Степень проявления депрессии зависит от генотипа линий: у одних она выражена сильнее,  у других слабее.  У некоторых линий со стерильной цитоплазмой рост растений даже несколько увеличивается.  Депрессия  у линий,  имеющих ЦМС,  частично снимается под действием  генов-восстановителей.  На продуктивность гибридов стерильность цитоплазмы в среднем отрицательного влияния  не оказывает.  В неблагоприятные по погодным условиям  годы стерильные формы при опылении пыльцой  фертильных растений оказываются  более продуктивным.

          Непосредственной причиной образования форм с ЦМС некоторые ученые считают нарушение синтеза  белка в результате мутации в ядре,  приводящей к неправильному микроспорогенезу,  другие дегенерацию пыльцевых зерен связывают с нарушением снабжения  питания пыльников стерильных растений.

          При скрещивании специально подобных  линий кукурузы можно получать гибриды,  которые на 25-30%  превышают по урожайности лучшие сорта.  Такие линии высевают чередующимися рядами на участках гибридизации.  Но для получения гибридных семян необходимо на растениях материнской формы до цветения вручную удалять все метелки.  Эта работа требует больших затрат труда и должна проводится очень тщательно.  Поэтому широкое производственное использование гибридов кукурузы длительное время сдерживалось.  Открытие и использование ЦМС коренным образом решило  проблему производства гибридной кукурузы. Путем возвратных насыщающих скрещиваний получили стерильные аналоги материнских линий,  гибриды кукурузы перевели на стерильную основу,  и их стали возделывать без затрат ручного труда на обрывание метелок.

          Широкое использование гибридов у таких культур,  как сорго,  лук,  огурцы, томат, стало возможным только благодаря открытию ЦМС,  так как ручная кастрация цветков у них практически невозможна.

          По той же причине нельзя было использовать гетерозис у основной зерновой культуры-пшеницы, хотя при скрещивании специально подобранных сортов он проявляется не менее сильно, чем у кукурузы.  Теперь генетики и селекционеры работают над созданием гетерозисных гибридов пшеницы на стерильной основе.

ПРИРОДА  ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ  ИЗМЕНЧИВОСТИ

          Под влиянием различных внешних  условий в организме происходят специфические изменения  компонентов  цитоплазматической наследственности.  Они могут существенно различаться между собой по устойчивости фенотипического проявления.  Наименее устойчивые изменения цитоплазмы получили название фенокопий.  Фенокопии - индуцированные изменения признаков организма,  которые сохраняются только в течение его жизни.  Потомство такого организма,  полученное путем полового размножения,  теряет эти признаки и становится нормальным.  У дрозофилы добавление в питательную среду  a–диметилтирозина  индуцирует фенокопии мутации yellow(желтое брюшко).

          При воздействии на личинок дрозофилы высокой температурой развивались взрослые мухи,  очень схожие с особями,  полученными в результате генных мутаций в хромосомах.  Аналогичный эффект наблюдается при добавлении в пищу личинок сублетальных  доз цианидов,  солей серебра и хинина. Под влиянием повышенной температуры и указанных химических веществ у взрослых особей происходили хорошо видимые изменения фенотипа с частотой 70-90%.   При этом было установлено,  что характер индуцированных фенотипических изменений у мух зависел от стадии,  в которой личинки подвергались воздействию,  продолжительности воздействия и от типа индуктора.  Следовательно,  процесс индукции фенокопий отличается высокой степенью специфичности.  Так как у потомства фенокопий,  полученного путем полового размножения,  изменения отсутствуют,  считают,  что этот вид цитоплазматической изменчивости связан с индуцированным изменением функции генов или плазмогенов,  а не их структуры.

          Длительные модификации. Временные изменения признаков,  вызванные внешними воздействиями на цитоплазму и сохраняющиеся  в течение нескольких поколений,  называются длительными модификациями.  При прекращении воздействий полнота и сила проявления этих изменений из поколения в поколение ослабевают. У отдельных представителей потомства длительные модификации иногда обнаруживаются на протяжении нескольких или даже многих поколений.

          Длительные модификации могут наследоваться по материнской линии и при вегетативном размножении до тех пор,  пока у исходных особей сохранятся возникшее изменение фенотипа.

          Большой интерес представляет вопрос о причинах (угасания) длительных модификаций.  Длительные модификации занимают промежуточное положение между фенокопиями и стабильными мутациями компонентов цитоплазмы.  Практически некоторые длительные модификации неотличимы от многих цитоплазматических мутаций.

          Мутации цитоплазмы. Компоненты цитоплазмы клетки под влиянием   индуцирующих воздействий могут претерпевать стабильные наследственные изменения, аналогичные мутациям хромосомных генов. Примером такого сходства хромосомных и цитоплазматических мутаций может служить уже рассмотренный нами случай наследования окраски пластид.

          Измененные пластиды,  так же как и другие компоненты цитоплазмы,  сохраняют свою генетическую непрерывность и несут измененную генетическую информацию.

          Генетической непрерывностью и способностью передавать генетическую информацию обладают только ДНК и РНК.  Устойчивые изменения генов хромосом связывают с изменением числа и порядка чередования нуклеотидов в ДНК и РНК.  Можно было бы предположить, что и  нехромосомные  мутации имеют ту же биохимическую природу.    Мутации имеют ту же биохимическую природу. Но обнаружить ДНК в компонентах цитоплазмы длительное время не удавалось.  Лишь в последние годы ДНК была обнаружена  в митохондриях и  пластидах.  Присутствие ДНК в этих органоидах доказано как методом авторадиографии,  так и путем ее непосредственного выделения.

          В тех клетках и частицах,  которые не имеют ДНК,  но содержат РНК, передача наследственной информации может быть связана с этой нуклеиновой кислотой,  как,  например,  у всех  растительных вирусов.