Взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических процессов у эукариот

Линейные плазмиды кукурузы имеют инвертированные повторы — TIR; такие же шпоры есть в мтД НК, что увеличивает вероятность процесса рекомбинации и внедрения плазмид в мтДНК.

Митохондриальный геном растений невелик, он кодирует:

- рибосомные РНК;

- некоторые рибосомные белки (у высших растений);

- от 4до 30 тРНК;

- 9 субъединиц НАДH-дегидрогеназы, катализирующих окислительно-восстановительные реакции;

  - 5 белков, участвующих в биогенезе цитохрома с - переносчика электронов от

комплекса III к комплексу IV;

  -  3 субьединицы цитохромоксидазы (комплекс IV);

- 4 субъединицы АТФазы, которая использует поток протонов для синтеза АТФ из ADФ и остатка фосфорной кислоты.

Однако большая часть рибосомных белков и белков, обеспечивающих процесс жислительного фосфорилирования, кодируется ядерными генами[7], [23], [25].

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Взаимодействие ядра и митохондрий : а - белковые комплексы митохондрий образуются из продуктов экспрессии ядерных и митохондриальных генов (по Льюин, 1987); б – взаимодействие генетических систем ядра и митохондрий. (По: Албертс и др., 1994)

 

 

 

3.2.2 Цитоплазматическая мужская 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 [12], [20].

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

1) 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 [28].

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,а 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 [21], [28].

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 TrAestivum,  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 [21], [32].

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 [24], [32].

За последние годы благодаря развитию методов молекулярной генетики выявлены гены, обусловливающие ЦМС. Установлено, что цитоплазматические гены стерильных цитоплазм плейотропны и влияют на такие признаки как продуктивность, мутабильность, партеногенез [12].

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 [24], [33].

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 [25].

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 restoringfertility-  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 ЦИТnRfRf,  ЦИТnRfrf и ЦИТnrfrf и на основе стерильной  цитоплазмы в сочетаниях  ЦИТsRfRf и ЦИТsRfrf.  Таким образом,  наследование ЦМС по материнской линии возможно только в скрещиваниях растений

                                 P : ♀ ЦИТsrfrf    x  ♂ ЦИТnrfrf

                                 F1:  ЦИТsrfrf  (стерильность закрепляется).

 

 

  Скрещивание ♀ ЦИТsrfrf    x   ♂ ЦИТn (s) RfRf  все растения будут фертильными,  т.  е.  происходит полное восстановление фертильности.

Это один наиболее простой случай наследования стерильности, связанный с взаимодействием стерильной цитоплазмы и одной аллельной пары генов. [13], [27].

Как оказалось, многие митохондриальные гены ЦМС образовались в результате рекомбинации и состоят из частей различных генов. Так митохондриальный ген петунии pcf состоит из частей трех генов: atp9, сох II, urfS. Предполагают, что гибридный белок, кодируемый геном рсf, включается в митохондриальные мембраны и вызывает нарушение в дыхательной цепи митохондрий. Однако в некоторых линиях петунии при наличии доминантного ядерного гена Rf— восстановителя фертильности происходит снижение количества транскрипции митохондриального гена pcf.

Выяснена молекулярная природа стерильности типа petiolaris (РЕТ1) у подсолнечника. Инсерция повторяющейся последовательности (265 п.н.) в ген atpA у этого растения приводит к образованию новой открытой рамки считывания (orf 522), и как следствие — к трансляции ЦМС-специфического белка. Однако влияние ЦМС-обусловливающего митохондриального гена orf522 может быть подавлено ядерным геном — восстановителем фертильности. [11]

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: SxxzzxNXxZz → 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 [6],[12].

ЦМС широко используется при создании на стерильной основе гетерозисных гибридов 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 [9], [25].

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 [25], [30].

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 [12].

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 [6], [21].

 

Митохондриальные гены у растений и их экспрессия отличаются следующими особенностями:

1) в митохондриальных генах есть промоторные области;