Открыт перспективный метод получения новых культурных растений
Новые виды растений возможно создавать при помощи горизонтального переноса полных ядерных геномов
Аллополиплоидизация — объединение геномов двух родительских видов — один из самых несложных и стремительных способов видообразования, обширно распространенный у растений. Так появились многие сорта и виды растений — как диких, так и культурных.
Но возможности этого метода формирования новых видов далеко не бесконечны. Сперва должно случиться межвидовое скрещивание: половые клетки (гаметы) двух родительских видов должны слиться, образовав зиготу с двумя гаплоидными родительскими комплектами хромосом (такую клетку возможно назвать амфигаплоидной либо аллодиплоидной).
Первая трудность пребывает в том, что скрещивание, в большинстве случаев, вероятно лишь между близкородственными видами. Вторая неприятность — в том, что аллодиплоидное растение в большинстве случаев безуспешно.
Все его хромосомы существуют в единственном числе и не смогут отыскать себе несколько при мейозе, исходя из этого такое растение не создаёт жизнеспособных гамет и не может к половому размножению. Дабы из гибридного растения оказался настоящий новый вид, оно должно размножаться бесполым (вегетативным) методом , пока тем либо иным методом не случится полногеномная дупликация, другими словами удвоение всего химерного.
Тогда окажется аллотетраплоид (амфидиплоид), у которого любая хромосома сможет отыскать себе несколько при мейозе, и свойство к половому размножению вполне возможно восстановится. Так может показаться полноценный новый вид, репродуктивно изолированный от обоих родительских видов.
Другим методом видообразования методом аллополиплоидизации имело возможность бы стать объединение ядерных геномов двух вегетативных диплоидных клеток. Тогда аллотетраплоид, способный к половому размножению, оказался бы сходу, минуя сложные промежуточные этапы.
Но вероятно ли такое в природе либо хотя бы в лаборатории?
Гипотетически, объединение геномов имело возможность бы происходить при срастании (естественном либо неестественном) растений двух видов. Но долгие изучения ничего аналогичного не нашли, и исходя из этого мысль «вегетативной гибридизации» считалась безнадежно скомпрометированной.
Но в 2009 году Сандра Стегеманн (Sandra Stegemann) и Ральф Бок (Ralph Bock) из германского Университета молекулярной физиологии растений общества Макса Планка (Max-Planck-Institut fur Molekulare Pflanzenphysiologie) продемонстрировали, что в зоне контакта между подвоем и привоем может происходить обмен пластидными геномами. Это значит, что вегетативная гибридизация технически вероятна, пускай и в очень ограниченном и урезанном виде.
К слову увидим, что обращение тут вовсе не идет о реабилитации лысенковщины, хотя бы вследствие того что Лысенко и его соратники вычисляли вегетативную гибридизацию фактом, опровергающим генетику и хромосомную теорию наследственности (что не имеет ничего общего с действительностью).
В собственном новом изучении Стегеманн и Бок совместно с германскими и польскими сотрудниками продемонстрировали, что между клетками сросшихся растений происходит горизонтальный перенос не только пластидных, но и ядерных геномов. Это открывает необычную возможность выводить новые гибридные тетраплоидные сорта а также новые виды растений, выращивая их из отдельных клеток, взятых из подвоя срастания и зоны привоя.
Сперва авторы совершили опыты с двумя генно-модифицированными линиями табака Nicotiana tabacum. Одна линия несет ген устойчивости к антибиотику канамицину, вторая — к гигромицину.
Оба гена находятся в ядерном геноме. Вершину одного растения прививали к основанию другого. После этого из территории срастания брали делящиеся клетки и выращивали их на среде, содержащей оба антибиотика.
В таких условиях имели возможность выжить лишь клетки, которые содержат оба гена устойчивости. Опыт удался: из 13 привитых растений удалось взять 29 колоний устойчивых клеток.
Из этих колоний были выращены полноценные растения. При помощи ПЦР авторы убедились, что в геноме этих растений вправду находятся оба гена устойчивости.
Значит, горизонтальный перенос ядерных генов вправду случился.
Сейчас необходимо было узнать, имела ли место передача отдельных генов либо целых геномов. В пользу второй версии свидетельствовало то, что клетки у гибридных растений были значительно больше, чем у родительских линий.
Размер клеток коррелирует с содержанием ДНК, исходя из этого у полиплоидов клетки в большинстве случаев больше, чем у диплоидов.
Гибридные растения были фертильными (плодовитыми): от них были взяты жизнеспособные семена, из которых выросло новое поколение гибридов. Число хромосом в их клетках легко варьировало, что показывает на нестабильный темперамент расхождения хромосом на протяжении клеточных делений.
Но у большинства гибридных растений выяснилось ровно 96 хромосом. У табака 48 хромосом в диплоидном комплекте.
Значит, полученные гибриды являются тетраплоидами, появившимися в следствии переноса полного ядерного генома из клетки в клетку в зоне подвоя и срастания привоя.
Нестабильность числа хромосом довольно часто отмечается у сравнительно не так давно сформировавшихся аутополиплоидов (другими словами полиплоидов, появившихся методом умножения числа копий генома одного и того же вида). Обстоятельство в том, что у таких организмов на протяжении мейоза любая хромосома имеет не одного потенциального партнера для спаривания, а пара (у тетраплоидов — три).
Это порождает хаос при разбиении хромосом на пары, что, со своей стороны, ведет к неправильному расхождению и утрата хромосом. Изучив под микроскопом мейоз материнских клеток пыльцы гибридного табака, авторы убедились, что при расхождении хромосом вправду происходят сбои (рис.
2).
Тетраплоидность гибридных растений была подтверждена еще двумя способами: определением количества ДНК при помощи проточной цитометрии и хорошим генетическим анализом расщепления показателей у потомства (таковой анализ было комфортно проводить за счет того, что одна из родительских линий была гомозиготна по гену устойчивости к антибиотику, а вторая — гетерозиготна).
Авторы не остановились на достигнутом и перешли к опытам по межвидовой гибридизации. Для этого они сращивали обычный табак Nicotiana tabacum (снабженный геном устойчивости к гигромицину) с табачным деревом Nicotiana glauca, в геном которого был внедрен ген устойчивости к канамицину (рис.
3). Эти два вида смогут скрещиваться простым методом, но гибриды получаются бесплодные.
Действуя по той же методике, что и в опытах с двумя линиями табака, авторы взяли из 12 пар сросшихся растений 45 линий клеток, устойчивых к обоим антибиотикам. Из них удалось вырастить полноценные растения — аллотетраплоиды, несущие в ядре каждой клетки полные диплоидные геномы обоих своих родителей (у табака 48 хромосом, у табачного дерева — 24, у гибридов — 72).
По практически всем показателей гибриды были промежуточными между N. nicotiana и N. glauca (рис. 1).
В лаборатории они росли стремительнее обоих родительских видов, что возможно трактовать как проявление гетерозиса). Это значит, что они в определенных условиях смогут соперничать с предковыми растениями.
Гибриды были плодовитыми, их потомство — также. Способны ли они скрещиваться с родительскими видами, в статье не сообщено. По идее, в случае если такие скрещивания вероятны, они должны приводить к появлению бесплодных триплоидов.
Так или иначе, авторы сделали вывод, что гибридные растения удовлетворяют всем параметрам нового вида. Они кроме того присвоили ему латинское наименование: Nicotiana tabauca.
Новые растения и по собственной морфологии, и по числу хромосом были более устойчивыми (другими словами менее изменчивыми), чем гибридный табак из первой серии опытов. Это разъясняется тем, что табачного дерева и хромосомы табака различаются достаточно очень сильно, дабы не спариваться между собой в мейозе и не создавать путаницы при расхождении хромосом.
Аллотетраплоиды, в отличие от аутотетраплоидов, ведут себя де-факто как диплоиды: любая хромосома имеет лишь одного потенциального партнера для спаривания. Анализ расщепления показателей у потомства подтвердил это предположение.
Но, в скоро делящихся клетках корневой меристемы N. tabauca авторы нашли случаи неправильного расхождения хромосом. Так, некая геномная нестабильность у нового вида имеется.
Это простое явление для сравнительно не так давно сформировавшихся аллополиплоидов, которое, в большинстве случаев, скоро сходит на нет на протяжении предстоящей эволюции (естественный отбор будет поддерживать генотипы, тем либо иным методом снабжающие верное расхождение хромосом).
Горизонтальный перенос ядерного генома в зоне срастания имел возможность случиться или в следствии слияния клеток, или методом миграции ядер по межклеточным мостикам, как это часто происходит у растений, в особенности при развитии пыльцы.
Какой из двух вариантов сработал в этом случае, не совсем ясно, не смотря на то, что авторы склоняются к варианту с цитомиксисом. При полном слиянии клеток у гибридов находились бы митохондрии и пластиды обоих своих родителей (это явление именуется гетероплазмией).
Но гетероплазмию авторы не нашли, по крайней мере при с пластидами. У одних экземпляров N. tabauca присутствуют лишь пластидные геномы N. nicotiana, у других — лишь N. glauca, но ни у кого нет обоих пластидных геномов сходу.
Иначе, митохондриальная гетероплазмия была увидена у нескольких экземпляров. Согласно точки зрения авторов, это не обязательно говорит о слиянии клеток, по причине того, что митохондрии у растений бывают тесно связаны с ядерной мембраной и исходя из этого, гипотетически, смогут перейти из клетки в клетку по межклеточному мостику вместе с ядром.
Полученные результаты серьёзны как для теории, так и для практики. С одной стороны, открыт перспективный способ получения новых культурных растений. С другой, показан вероятный метод естественного видообразования.
Растения различных видов в природе часто срастаются. Из территории срастания, в случае если весьма повезет, может вырасти плодоносящий побег, составленный из аллотетраплоидных клеток.
Действительно, в большинстве случаев в таковой обстановки получаются в лучшем случае химеры, другими словами растения, составленные из смеси клеток с различными геномами. Потомство таких химер срочно распадается обратно на два родительских вида.
Но раз в сто тысяч лет, возможно, может оказаться и аллотетраплоидное потомство (к слову увидим, что в опытах лысенковцев это чуть ли случилось хоть раз). Принципиально важно, что срастаться смогут среди них и виды, дивергировавшие через чур очень сильно, дабы скрещиваться простым методом.
Так, вегетативная гибридизация все-таки вероятна — но происходит она не вопреки законам генетики и хромосомной теории наследственности, как утверждали лысенковцы, а в полном соответствии с ними.
Рис. 1. Табак Nicotiana tabacum, табачное дерево Nicotiana glauca и их аллополиплоидный потомок Nicotiana tabauca.
Верхний последовательность демонстрирует стремительный рост нового растения (продемонстрированы экземпляры однообразного, 44-дневного возраста), второй и третий последовательности — различия в окраске и форме листьев: у N. glauca пигменты-антоцианы распределены по всему странице, у Nicotiana tabacum они отсутствуют, у гибридного Nicotiana tabauca — имеются лишь около черешка. Нижний последовательность показывает различия в строении цветков. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 2. Мейоз материнских клеток пыльцы у простого и аутотетраплоидного табака, взятого методом горизонтального переноса ядерного генома. a — простой табак; хромосомы расходятся верно; протяженность масштабной линейки 50 мкм. b — тетраплоидный табак; кое-какие хромосомы группируются и расходятся по дочерним клеткам неправильно (отмечены стрелками); протяженность масштабных линеек 20 мкм. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature
Рис. 3. Сращивание растений различных видов в лаборатории и природе.
Слева — естественное срастание клёна и берёзы в лесу в Нью-Джерси, справа — сросшиеся растения табачного дерева и табака в теплице (табак справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Источник: Ignacia Fuentes, Sandra Stegemann, Hieronim Golczyk, Daniel Karcher Ralph Bock. Horizontal genome transfer as an asexual path to the formation of new species // Nature, 2014. — V. 511. — P. 232—235 / А. Марков, elementy.ru
На заставке фото с сайта www.cugetliber.ro
