Формальная генетика пластид - Генетика пластид

Пластиды - органеллы, локализованные только в клетках высших растений и водорослей. Они ответственны за фотосинтез, хранение разнообразных продуктов метаболизма, а также за синтез многих ключевых молекул растительных клеток. Как следует из названия (от греч. plastikos - изменчивый, пластичный), пластиды различны по размеру, форме, содержанию и функциям. Пластиды обладают также удивительной способностью дифференцироваться, дедифференцироваться и повторно редифференцироваться.

Всем пластидам свойствен ряд общих черт. Они имеют собственный геном, одинаковый у всех представителей одного вида растений, собственную белоксинтезирующую систему; от цитозоля пластиды отделены двумя мембранами - наружной и внутренней. Для некоторых фототрофных организмов число пластидных мембран может быть больше. Например, пластиды эвглен окружены тремя, а у золотистых, бурых, желто-зеленых и диатомовых водорослей они имеют четыре мембраны. Это связано с происхождением пластид. Предполагают, что симбиотический процесс, результатом которого стало формированием пластид, в процессе эволюции происходил неоднократно (Алехина и др., 2005).

История открытия пластид, вероятно, начинается с их первого описания итальянским натуралистом А. Компаретти в 1791 году. Позже, с развитием световой микроскопии, появились первые рисунки пластид. Впервые в 1858 году их зарисовал А. Трекул. Эти наблюдения затрагивали описание пластид в разных тканях и видах растений, а также и их сравнение между собой. Уже в это время стало ясно, что пластиды, расположенные в цитоплазме клеток растений, являются их обязательным составным компонентом.

Наблюдения за пластидами позволили показать, что они способны реагировать на свет, перемещаться в клетке даже против тока цитоплазмы, изменять свой цвет, размеры и количество в клетке. В конце XIX века русский исследователь А. С. Фомицин, а затем и его ученик К. С. Мережковский выдвинули гипотезу, согласно которой пластиды являются самостоятельными клеточными органеллами и сами по себе являются клетками, локализованными внутри растительной клетки. Таким образом, им принадлежит приоритет в создании симбиотической теории происхождения эукариотической клетки.

Известны три основных типа пластид: лейкопласты, хлоропласты и хромопласты. Разновидность лейкопластов - амилопласты, содержат значительное количество крахмала в виде крахмальных зерен, например, в клубнях картофеля. Хлоропласты содержат необходимые пигменты фотосинтеза и поэтому окрашены главным образом в зеленый цвет. На рисунке 1. приведена микрофотография хлоропласта из мезофилла листа подсолнечника.

Хромопласты содержат разнообразные пигменты, придающие им яркую окраску (желтую, красную и др.) Кроме пигментации эти пластиды различаются между собой также и по размерам и тонкой ультраструктуре.

Пластиды в растительной клетке никогда не возникают de novo, а возникают из неструктурированных клеточных органелл - пропластид, которые, постепенно дифференцируясь, превращаются в разные типы пластид. Не все клеточные органеллы обладают такой непрерывностью в ряду клеточных поколений. Беспрерывны в клетке только пластиды и митохондрии. Благодаря развитию техники электронной микроскопии было показано, что все типы пластид способны взаимно превращаться друг в друга.

ультраструктура хлоропласта на срезах листьев подсолнечника инбредной линии 3629

Рис. 1. Ультраструктура хлоропласта на срезах листьев подсолнечника инбредной линии 3629.

ТМ - тилакоидные мембраны гран; К - крахмал.

Таким образом, из пропластид формируются остальные типы пластид - амилопласты, лейкопласты, этиопласты, хлоропласты, хромопласты. Набор пластид в конкретной клетке зависит от типа ее дифференцировки (рис. 2).

Например, когда при превращении бесцветного корнеплода в окрашенный, происходит трансформация лейкопластов в хромопласты. В процессе позеленения семядолей при выходе их на поверхность из почвы при прорастании семян лейкопласты превращаются в хлоропласты.

То же самое происходит при позеленении клубней картофеля на свету.

Обратный процесс, т. е. превращение хлоропластов в лейкопласты можно наблюдать при утрате зеленой окраски органов растений в отсутствие света.

Хлоропласты могут превращаться в хромопласты при старении листьев осенью или превращении зеленого венчика в ярко окрашенный. Хромопласты превращаются в хлоропласты, например, при позеленении корнеплодов моркови на свету.

Таким образом, при определенных условиях все типы пластид могут превращаться друг в друга.

схема взаимопревращений пластид (из алехиной и др., 2005)

Рис. 2. Схема взаимопревращений пластид (из Алехиной и др., 2005)

Следует отметить, что растительные клетки без пластид не существуют. Даже те растения, которые в процессе эволюции утратили способность к фотосинтезу, во всех своих клетках содержат лейкопласты, без которых невозможен обмен, накопление и транспорт углеводов.

Окончательные доказательства общего происхождения всех типов пластид были получены с развитием современных молекулярно-генетических методов уже в наше время, когда было продемонстрировано, что геномы разных типов идентичны друг другу.

Впервые удвоение пластид перед началом деления клетки было описано К. Негели еще в 1846 г. Однако, только к середине XX века, благодаря электронной микроскопии, удалось показать, что пластиды делятся путем перешнуровки органелл.

Гены пластид, а также и митохондрий у большинства растений наследуются однородительски - по материнской линии. Это означает, что гены органелл отцовских родителей не участвуют в оплодотворении. Ультраструктурные исследования, проведенные в ряде лабораторий, позволили разделить высшие растения по принципу распределения и передачи отцовских пластид на четыре основных типа: тип Lycopersicon, тип Solanum, тип Triticum и тип Pelargonium:

Тип Pelargonium (герань) - только для типа Pelargonium типична передача отцовских пластид в зиготу; при этом отцовские пластиды, через мужскую генеративную клетку попадая в зиготу, перемешиваются с материнскими пластидами и распределяются в дочерних клетках случайным образом. Растения этого типа потенциально могут демонстрировать двуродительское наследование пластид, однако это происходит не всегда, т. к. кроме непосредственно пластид важна главным образом судьба их генов, а отцовская ДНК пластид не всегда сохраняется в зиготе.

Тип Licopersicon (томаты) - во время первого пыльцевого митоза из-за неравномерного распределения пластиды не попадают в генеративную клетку, а все они локализуются в вегетативной клетке. Таким образом, отцовские пластиды не попадают в зиготу при оплодотворении.

Тип Solanum (картофель) - сразу после первого деления генеративная мужская клетка содержит несколько пластид, которые быстро деградируют еще до оплодотворения. Т. е. и в этом случае отцовские пластиды не попадают в зиготу.

Тип Triticum (пшеница) - пластиды обнаруживаются во всех клетках мужского гаметофита, однако при оплодотворении они не передаются в яйцеклетку. То же, очевидно, происходит и с митохондриями этих растений. В результате растения этого типа обычно наследуют только материнские органеллы.

Однако отсутствие передачи пластид вовсе не означает отсутствие передачи пластидной ДНК. Методами флуоресцентной микроскопии было исследовано 235 видов высших растений, и у 20% видов была выявлена передача пластидной ДНК с пыльцой. Интересно отметить, что у голосеменных растений, передача пластид с пыльцой отмечена практически для каждого семейства, тогда как у покрытосеменных она встречается гораздо реже.

У тех видов, у которых пластиды попадают в яйцеклетку, первоначальное (стартовое) соотношение материнских и отцовских пластид может быть самым разнообразным - от 1:2 до 1:31. Однако это первоначальное стартовое соотношение в процессе последующих клеточных делений может быть изменено в силу того, что отцовские и материнские пластиды могут обладать разной скоростью деления.

Виды с материнским, или изредка встречающимся отцовским типом наследования пластид: арабидопсис, соя, ячмень, пшеница, лен, ночная красавица, овес, просо, пшеница, свекла, капуста, кофе, клевер, бобы, кукуруза, подсолнечник. К этой группе относится большинство как однодольных, так и двудольных растений, и данный список примеров можно было бы существенно расширить.

Виды со стабильным двуродительским наследованием пластид: земляника, герань, рожь, ослинник.

Существуют виды, у которых в потомстве обнаруживают только отцовские пластиды и не обнаруживают материнских: Daucus сarota (морковь), Medicago sativa (люцерна). Но даже у видов со стабильным преимуществом отцовских пластид - обычно первоначально в зиготе наблюдается преимущество материнских пластид, которые затем вытесняются отцовскими.

Таким образом, дело не в количестве пластид, вносимых в зиготу отцовской и материнской формами, а в разнообразных механизмах ограничения наследования одного из двух типов пластид. Тип наследования клеточных органелл у растений могут определять различные генетические системы: ядерные гены материнского организма, как у Pelargonium, отцовского, как у Petunia или же генотипы обоих родительских форм, как у Medicago.

На трансмиссию пластид может также влиять их собственный геном и ядерно-цитоплазматические взаимодействия.

Несмотря на многочисленные исследования, проведенных на сотнях видов растений, вопрос о наследовании клеточных органелл все еще остается не решенным.

Даже вопрос об эволюционном преимуществе однородительского наследования цитоплазматических геномов достаточно спорен, поскольку наряду с материнским наследованием пластид довольно часто встречается и двуродительская передача органелл потомству. Определенно можно заключить, только то, что оба эти типа трансмиссии органелл возникали и закреплялись в процессе эволюции растений неоднократно.

схема строения клетки хламидомонады

Рис 3. Схема строения клетки хламидомонады: 1 - хлоропласт, 2 - митохондрии, 3 - ядро, 4 - жгутики

Следует отметить, что основные закономерности пластидной наследственности впервые были установлены американским генетиком Рут Сэджер в экспериментах с зеленой одноклеточной водорослью хламидомонадой Chlamydomonas reinhardtii. Этот одноклеточный организм содержит всего один хлоропласт на клетку (рис. 1.4), и при слиянии гаплоидных клеток (оплодотворении) их хлоропласты сливаются в один хлоропласт.

Жизненный цикл хламидомонады включает диплоидную и гаплоидную фазы (рис. 4).

жизненный цикл chlamydomonas reinhardi

Рис. 4 Жизненный цикл Chlamydomonas reinhardi.

-, + - половой фактор (тип скрещивания).

Зигота, являясь диплоидной клеткой и всегда гетерерозиготной, делится посредством мейоза. В результате этого образуются 4 зооспоры - гаплоидные клетки. Две из них имеют половой фактор mt+, т. е. являются женскими, а две другие имеют половой фактор mt-, т. е. являются мужскими. Зооспоры являются одновременно и организмами, и гаметами. Оплодотворение происходит при помощи слияния мужских и женских гамет. Гаметы с одинаковыми половыми факторами участвовать в оплодотворении не могут.

Менделевские гены, находящиеся в хромосомах ядра, наследуются следующим образом: зоспоры A (mt+) и a (mt-) сливаются. Образуется зигота Аа (mt+mt-). После мейоза возникает четыре зооспоры : 2 с генотипом А и 2 с генотипом а. Следовательно, по ядерным генам всегда наблюдается расщепление 2:2. Естественно, что при митотическом размножении зооспор никакого расщепления не происходит. Расщепление 2:2 не изменяется в зависимости от того, мужская или женская зооспора несет рецессивный фактор, т. е. различий в реципрокных скрещиваниях не наблюдается.

Р. Сэджер у хламидомонады выделила и индуцировала при помощи мутагенов большое количество мутантов. Многие из этих мутантных признаков наследовались совершенно иным образом, чем менделевские гены. Это были мутации устойчивости к антибиотикам, дефекты фотосинтеза, чувствительность к температуре, медленно растущие, зависимые от тех или иных метаболических добавок. Впоследствии было доказано, что многие полученные ею мутанты были пластидными, т. е. связанными с мутациями пластогенов.

Рассмотрим, например, одну из таких мутаций, а именно: мутацию устойчивости к антибиотику стрептомицину.

    S (дикий тип, чувствительный к стрептомицину); S (мутант, устойчивый к стрептомицину).

При слиянии двух зооспор S(mt+) и s(mt-), образуется зигота и после мейотического деления - четыре чувствительные к антибиотику зооспоры (дикого типа), такие же, как их материнская форма. Другими словами в этом случае имеет место однородительское материнское наследование.

Если поставить реципрокное скрещивание и слить зооспоры s(mt+) и S(mt-), то после образования зиготы и мейотического деления образуются четыре зооспоры мутантного типа опять с такими же, как и материнская форма. Таким образом, в данном случае наблюдается строго материнское наследование, при отклонении от менделевских правил расщепления: различия в реципрокных скрещиваниях.

Следовательно, несмотря на то, что пластиды и отцовской и материнской формы попадают в зиготу и даже сливаются в одну общую пластиду, у хламидомонады пластидные гены наследуются почти строго однородительски, по материнской линии.

Это правило имеет исключение, на котором основан весь рекомбинационный анализ хлоропластной группы сцепления. Иногда, приблизительно с частотой около 1% возникают так называемые цитогеты - цитоплазматические гетерозиготы, т. е. зигота получает оба пластома (хлоропластных геномов) и 1% зооспор содержит как отцовские, так и материнские пластогены. В результате митотических делений такие зооспоры расщепляются на отцовские и материнские маркеры в соотношении примерно 1:1. Таким образом, наблюдается соматическое расщепление по цитогенам, тогда как ядерные гены, поскольку находятся в зооспорах в гаплоидном состоянии, не расщепляются. Это свидетельствует о том, что небольшое количество отцовской ДНК все же сохраняется в пластидах.

Р. Сэджер поставила и ряд других, теперь уже ставших классическими, опытов. В частности она показала, что если перед слиянием зооспор материнские формы облучать ультрафиолетовыми лучами, то количество цитогет можно довести до 50%. Этот факт свидетельствует, вероятно, о том, что УФ облучение нарушает некий механизм узнавания и уничтожения отцовской пластидной ДНК.

Наличие цитогет дало принципиальную возможность картирования генов хлоропластной ДНК. Для этого были использованы разнообразные цитоплазматические мутанты.

Например: acl (нуждается в ацетате), sd (нуждается в стрептомицине).

При скрещивании дикого типа (mt+) с двойным пластидным мутантом acl, sd(mt-) зигота и получившиеся в результате ее деления все зооспоры дикого типа, за исключением 1%. При УФ облучении материнских форм mt+ - до 50% двойных мутантов. Зооспоры-двойные мутанты при размножении расщепляются на 4 класса: два родительских (дикий тип и двойной мутант) и два рекомбинантных (только с первой acl или только со второй sd мутацией). По частоте встречаемости рекомбинантных особей можно судить о частоте рекомбинаций, а она, в свою очередь, будет свидетельствовать о расстоянии между генами на "хромосомной" карте.

Результаты наследования пластогенов у хламидомонады показали, что характер наследования не зависит от количества пластид, вносимых отцовским и материнским формами, а зависит от процессов, которые происходят с ДНК отцовских и материнских пластид в зиготе.

Таким образом, уже к 70-м годам XX века у хламидомонады удалось не только получить множество пластидных мутаций, но картировать пластидные гены, построив кольцевую карту, соответствующую кольцевой молекуле ДНК пластид. Однако до сих пор ни на одном высшем растении, даже у тех из них, где пластиды наследуются двуродительски, рекомбинаций по хлоропластным генам не удается получить. Естественно, что это тормозит развитие генетики хлоропластов у высших растений.

У высших растений, к сожалению, мы не можем привлечь такого большого количества маркеров пластидных генов, как у хламидомонады, поскольку у них достаточно сложно использовать микробиологические методы, такие, как например метод селективных сред. Основная информация о пластидных генах была получена при изучении так называемых пестролистных растений или растений с теми или иными дефектами фотосинтеза.

Впервые генетическая природа пестролистности была исследована Карлом Корренсом в 1908 году на растении ночная красавица Mirabilis jalapa. Корренс брал пыльцу с цветков, растущих на белых, зеленых и пестролистных побегах растения Mirabilis jalapa и наносил ее на пестики цветков, также растущих на трех типах побегов (рис. 5). Оказалось, что свойства проросших из таких семян растений характеризуются неменделевским типом наследования и определяются исключительно характером материнского цветка и не зависят от свойств цветка, с которого была взята пыльца.

Рис. 5. Вариации по содержанию хлорофилла в побегах Mirabilis jalapa

Такие мутанты возникают как спонтанно, так и индуцированно под действием различных мутагенов и описаны к настоящему времени у большинства известных видов высших растений. Они имеют белую, желтую или бледно-зеленую окраску листьев (рис. 6).

Дефекты фотосинтеза у растений могут быть вызваны не только пластидными генами, но также в редких случаях и митохондриальными, но чаще всего ядерными генами. Только у ячменя Д. Веттштейном было описано 83 ядерных мутантных локуса, расположенных во всех 7 парах хромосом. Эти мутации вызывают те или иные дефекты фотосинтеза и пигментации пластид.

Кроме того, дефекты пластид могут возникать иногда и в случае отдаленной гибридизации, что, вероятно, свидетельствует о несовместимости или несогласованности действия ядерных и пластидных генов, привнесенных в гибрид от разных видов или удаленных форм одного вида.

пестролистная форма подсолнечника helianthus annuus l

Рисунок 6. Пестролистная форма подсолнечника Helianthus annuus l.

Наличие как пластидно, так и ядерно обусловленных мутаций, приводящих к дефектам фотосинтеза, свидетельствует, что биогенез хлоропластов находится под двойным генетическим контролем ядра и собственно органеллы.

Отличить мутации окраски листьев, вызванные ядерными генами, от мутаций, вызванных пластидными генами, не всегда легко. Чаще всего ядерные мутанты не проявляют соматического расщепления, и мы имеем либо чисто альбиносные формы, либо нормально окрашенные в менделевских пропорциях. В большинстве случаев пластидные мутанты чаще всего возникают первоначально как пестролистные химеры, соматически расщепляющиеся на три класса - пестрые, белые (летальные) и зеленые в неменделевских пропорциях. Однако описаны случаи, когда ядерные гены за счет различий в экспрессии в разных тканях могут обуславливать пеструю окраску листьев со стабильным рисунком.

В табл. 1 приведены результаты расщепления в потомстве после самоопылении пестролистных растений мутантных линий var подсолнечника из генетической коллекции внеядерных мутантов НИИ биологии ЮФУ. Видно, что пестролистные растения всех изучаемых линий расщепляются в потомстве на три типа проростков: зеленые, пестрые и летальные (белые, желтые или желто-зеленые). Последние погибают на стадии развития первой пары настоящих листьев.

Таблица 1. Расщепление в потомстве пестролистных растений мутантых линий var подсолнечника

Линия

Количество растений в потомстве

Количество мутантных растений, %

Зеленых

Пестрых

Белых, желтых

Var - 1

27

8

5

32,5

Var - 2

24

14

9

51,0

Var - 3

30

4

0

11,8

Var - 4

19

17

7

55,8

Var - 6

17

5

4

36,0

Var - 7

24

7

0

29,2

Var - 8

18

10

1

37,9

Var - 9

25

6

8

35,9

Var - 10

69

6

14

22,5

Var - 11

32

40

25

67,0

Var - 12

23

26

42

74,2

Var - 13

14

4

0

28,6

Var - 14

56

29

8

39,8

Var - 15

14

12

8

58,8

Var - 17

33

4

9

28,3

Var - 20

33

6

3

21,4

Var - 23

25

14

12

51,0

Var - 24

10

10

8

64,3

Var - 25

32

27

13

55,6

Var - 27

16

12

5

51,5

Var - 28

22

8

4

35,3

Var - 29

11

13

5

62,1

Var - 30

29

6

0

20,7

Var - 32

54

6

6

18,2

Var - 33

22

10

8

45,0

Var - 35

9

12

5

65,4

?

688

316

209

%

57,8%

42,2%

Хотя числовые отношения при расщеплении непостоянны, однако они носят устойчивый, регулярно повторяющийся (на протяжении уже более 35 лет) характер, подтверждая генетическую непрерывность пластид в ряду клеточных поколений (табл. 2).

Таблица 2. Расщепление в потомстве пестролистных растений мутантных линий var подсолнечника после самоопыления

Год наблюдения

Количество изученных семей

Количество растений в потомстве

Количество мутантных растений, %

Зеленых

Пестрых

Белых (желтых)

1967

50

432

199

88

39,9

1968

60

1128

536

491

47,7

1969

53

1404

584

537

44,4

1970

59

1126

457

310

40,5

1972

69

1006

385

347

42,1

1973

61

1145

325

268

34,1

1974

72

1154

428

259

37,3

1976

51

1404

431

778

46,3

1977

66

927

261

772

52,6

2000*

15

556

267

192

45,2

2001*

15

547

227

162

41,6

2003*

15

461

283

126

47,1

2004*

15

395

201

179

49,0

Примечание: * - приведены результаты только по тем линиям пестролистных растений, которые были получены в 1967 году.

Наличие соматического расщепления только позволяет отличить ядерные пестролистные мутанты от внеядерных. Сам факт соматического расщепления указывает на органеллы цитоплазмы, но не позволяет связать этот признак с конкретными органеллами. Для доказательства пластидной обусловленности пестролистности растений можно использовать довольно простой цитологический тест на наличие так называемых гетеропластидных клеток. Суть его сводится к тому, что если мы регистрируем клетки, содержащие одновременно как нормальные, так и дефектные пластиды, то это означает, что фактор (ген), вызывающий этот дефект, локализован внутри пластид (рис. 7).

гетеропластидная клетка пестролистного мутанта подсолнечника

Рис. 7. Гетеропластидная клетка пестролистного мутанта подсолнечника.

МП - мутантная пластида. НП - нормальный хлоропласт клеток листовой ткани растений. ТС - тилакоиды стромы. ТГ - тилакоиды гран. Р - рибосомы.

Следует заметить, что гетеропластидные клетки у растений с неядерным наследованием дефектов пластид в силу тех или иных причин удается выявить не всегда. Более того, среди неядерных мутантов существуют такие, которые не проявляют даже соматического расщепления. Это непестролистные бледно-зеленые мутанты, как например мутации типа chlorina, описанные у подсолнечника (рис. 8). Эти мутации были индуцированы нами при помощи алкилирующего мутагена нитрозометилмочевины. Наследование признака по материнской линии указывает на нехромосомную природу данной мутации, в то же время отсутствие соматического расщепления и отсутствие гетеропластидных клеток не позволяет связать данную мутацию с пластидными генами.

внеядерный мутант en:chlorina подсолнечника

Рис. 8. Внеядерный мутант en:chlorina подсолнечника

Пластидная природа мутаций типа chlorina у подсолнечника была доказана при помощи молекулярных методов исследований. Была исследована пластидная ДНК у нескольких мутантов, полученных из одной и той же линии дикого типа, а также несколько полных и частичных ревертантов, полученных из одной и той же мутантной линии. Оказалась, что мутанты имеют отличия от нормальной исходной линии по своим хлоропластным, но не митохондриальным ДНК. У полных ревертантов, у которых наблюдалось полное восстановление, как функции фотосинтеза, окраски листьев, так и восстановление мощности растений, происходило и полное восстановление структуры ДНК (истинная реверсия). У частичных ревертантов, для которых характерно восстановление мощности растений, но не восстановление окраски листьев было обнаружено, что восстановление структуры ДНК пластид не происходило, но наблюдались некоторые изменения в структуре ДНК митохондрий. Последний факт позволяет предполагать, что мутации в одних органеллах (митохондриях) могут быть компенсаторными по отношению к другими органеллам (пластидам).

Однако отсутствие соматического расщепления для пластидных мутаций у высших растений скорее исключение, чем правило.

Почему в процессе роста растений, в которых находятся клетки одновременно с мутантными и нормальными пластидами, возникают клетки, а затем и участки ткани и даже целые растения, содержащие только один тип пластид: либо только мутантные, либо только нормальные пластиды? Ответить на этот вопрос попытался чл.-корр. НАН Беларуси О. Г. Давыденко (Давыденко, 2001). Он предложил в начале рассуждений исходить из следующих простых представлений.

Первоначальная клетка содержит только два типа пластид: мутантные и нормальные. В качестве таких первоначальных клеток могут быть либо зиготы у видов с двуродительским наследованием пластид, либо стартовая клетка, в которой произошла мутация пластид. И в том и в другом случае мы можем получить гетеропластидную клетку.

Пропорции между мутантными и нормальными пластидами либо равные, либо преобладает один из двух типов.

Мутантные и нормальные пластиды обладают равной скоростью деления.

Мутантные и нормальные пластиды перемешиваются в стартовой клетке и во всех последующих клетках перед делением случайно и распределяются в дочерних клетках случайно.

Во всех клетках стабильное общее количество пластид.

При этих допущениях, исходя из чисто математических представлений, наступает несколько следствий:

Количество различных сочетаний мутантных и нормальных пластид в клетках тем больше, чем больше общее количество пластид на клетку.

Частота встречаемости клеток одновременно с двумя типами пластид, т. е. гетеропластидных или сортирующихся клеток, зависит от общего количества органелл, а не от стартовой пропорции мутантных и нормальных органелл.

Количество клеточных делений, приводящих к полной рассортировке мутантных и нормальных пластид на чисто мутантные и чисто нормальные ткани, равно 10 в степени n, где n - общее количество пластид. Если в клетке 2 пластиды, то через 100 клеточных делений вероятность обнаружения гетеропластидных клеток будет близка к 0.

Стадия полного завершения сортировки зависит от общего количества пластид в клетке и не зависит от стартовой пропорции нормальных и мутантных пластид. Следовательно, даже если в зиготу попадает одна отцовская на 100 материнских пластид мутантный участок ткани выщепится - хотя и небольшой.

Исходя из предложенной модели, мы вправе ожидать, что и соматическое расщепление, и наличие гетеропластидных клеток должно быть достаточно легко зарегистрировано, по крайней мере, в первом поколении после возникновения стартовой гетеропластидной клетки. В большинстве случаев наблюдения за пестролистными растениями показывают достаточно хорошее совпадение теоретически ожидаемых и практически полученных наблюдений, однако достаточно часто уже на ранних стадиях развития сортировка может заканчиваться значительно быстрее, чем, если бы мы исходили из простой математической модели. В результате этого гетеропластидные клетки иногда не удается обнаружить вообще, как и различные участки ткани. Происходит это потому, что те допущения, из которых мы исходили, не всегда справедливы.

В ряде случаев было показано, что мутантные и нормальные пластиды могут реплицироваться с разной скоростью и обладать разной жизнеспособностью, что неизбежно приведет к вытеснению одного из типов пластид из клеток и тканей. Разная реакция на свет или разная способность активно передвигаться внутри цитоплазмы клеток у мутантных и нормальных пластид может также приводить к неравномерному перемешиванию пластид перед делением клетки и неравномерному их распределению в дочерних клетках. Кроме того, количество пластид в клетках может изменяться значительно, возрастая и уменьшаясь в сотни раз в зависимости от этапа развития той или другой ткани.

Факторы внешней среды и эндогенные факторы также могут оказывать влияние на эти процессы. К числу эндогенных факторов относится, в первую очередь, действие ядерных генов. Измерить относительную скорость репликации мутантных и нормальных пластид непосредственно достаточно сложно. Однако можно использовать косвенные методы. Так, например, соотношение площадей мутантной и нормальной ткани (белой и зеленой соответственно) у потомков от скрещивания белых побегов с зелеными будет характеризовать относительную скорость размножения белых и зеленых пластид. Если при действии какого-то фактора это соотношение будет значительно и достоверно сдвинуто в ту или другую сторону, то это будет свидетельствовать о том, что данный фактор способствует репликации тех или иных пластид.

Такие опыты были проведены на герани (Pelargonium) Р. А.Е. Тилней-Бассетом в 70-е годы. Поскольку герань относится к растениям с двуродительским типом наследования пластид, использование белых и зеленых побегов пестролистных растений позволяло провести такие эксперименты. Оказалось, что пропорции между площадями белой и зеленой ткани не зависят от того, белый или зеленый побег используется в качестве материнской формы, но зависят от того, на каком ядерном генотипе происходит скрещивание. Т. е. генотип одних сортов увеличивал пропорции материнских хлоропластов, а других - наоборот - отцовских.

Таким образом, было показано, что скорость репликации тех или иных хлоропластов может зависеть от ядерных генов - одни гены способствуют более быстрой репликации материнских пластид, другие - отцовских. В результате пропорции между двумя плазматипами могут сдвигаться.

Среди разнообразных мутаций дефектов фотосинтеза описаны еще и такие, у которых дефектные пластиды наследуются как пластидные мутации, проявляя все характерные критерии нехромосомного наследования, а фактор, вызывающий эти мутации, наследуется как ядерный ген. Ядерные гены, являющиеся причиной возникновения пластидных мутаций, были названы пластидными мутаторами и обозначены как рm (от английского plastid mutator).

Наличие таких генов довольно распространено среди высших растений. Впервые они были описаны М. Роудсом у кукурузы еще в 30-х годах XX века, а впоследствии были открыты и на других растениях (ослинник, арабидопсис, петуния, рис и др.). У всех описанных видов ядерный ген мутатор наследуется как простой менделевский рецессивный ген. Рецессивные гомозиготы pmpm обычно выглядят как пестролистные растения. При их самоопылении или опылении их зелеными или пестрыми растениями возникает три типа потомков: чисто белые (они погибают на ранних стадиях развития, как неспособные к фотосинтезу), пестрые и чисто зеленые. В дальнейшем путем скрещивания можно изменять генотип пестрых растений на доминантные гомозиготы РMРМ или гетерозиготы РМрm, при этом пестролистность и способность давать три типа потомков у них сохраняется независимо от ядерного генотипа.

С другой стороны, скрещивая два зеленых растения, одно из которых гетерозиготно по генам РМрm, а другое гомозиготно pmpm, мы получаем 1/2 гетерозигот, все из которых являются зелеными и 1/2 гомозигот по рецессивным генам рm, которые могут быть как чисто зелеными, так чисто белыми, так и пестролистными (мозаичными). Такой ситуации не может быть при чисто пластидном наследовании пестролистности. Таким образом, фактор, вызывающий пластидные мутации, наследуется как менделевский рецессив, и, следовательно, расположен в ядре клетки, а сами пластидные мутации наследуются как нехромосомные гены, и скорее всего, расположены в пластидах. Как действуют гены рm, каким образом они вызывают мутации в пластидах?

Наиболее логичным предположением, которое было выдвинуто после открытия в пластидах собственной ДНК, явилось предположение о том, что ген РМ является геном пластидной ДНК полимеразы. Этот ген находится в ядре клетки, а его продукт экспортируется в пластиды. Мутантный аллель этого гена в гомозиготном состоянии производит нефункциональную ДНК полимеразу, которая вызывает ошибки при репликации пластидной ДНК, что приводит к дефектам в ДНК пластид, а затем и пластидных белках, ответственных за фотосинтез. Дальнейшие молекулярные исследования в целом подтвердили справедливость данной гипотезы. В действительности, оказалось, что в геноме хлоропластов отсутствует один из генов, кодирующих субъединицу ДНК полимеразы, необходимый для репликации ДНК пластид. Этот ген находится в ядре клетки. Кроме того, исследования пластидной и митохондриальной ДНК пестролистных мутантов показали, что в большинстве случаев гены рm вызывают разнообразные изменения именно пластидной ДНК, хотя есть пример и изменения митохондриального генома у арабидопсиса под действием этого гена. В последнем случае гены рm вызывали необратимые изменения в ДНК митохондрий, а уже изменение функционирования митохондрий приводило к дефектам фотосинтеза хлоропластов.

В целом у высших растений, несмотря на то, что исследования были ограничены главным образом только мутациями хлорофиллдефектности, удалось накопить достаточно обширный материал, позволивший охарактеризовать особенности наследования пластид и пластидных генов и даже предвосхитить некоторые открытия, сделанные впоследствии при изучении молекулярной организации генома пластид.

Одно из важнейших обобщений, которое можно было сделать при изучении формальной генетики пластид у высших растений, заключается в том, что фенотип пластид контролируется как ядерными, так и цитоплазматическими генами. Кроме взаимного контроля над фотосинтезом ядерные гены способны оказывать влияние на трансмиссию пластид в ряду клеточных поколений и половом процессе, влиять на частоту мутаций пластидных генов.

Похожие статьи




Формальная генетика пластид - Генетика пластид

Предыдущая | Следующая