1. Формальная 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.
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.
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.
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).
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.