Реферат: Генетика пластид

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, зелёных и пестролистных побегах растения Mirabilis jalapa и наносил её 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.

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: зелёные, пёстрые и летальные (белые, жёлтые или желто-зеленые). Последние погибают на стадии развития первой пары настоящих листьев.

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

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

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).

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.

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.