Нехромосомное наследование. 
Генетика

Со времени переоткрытия законов Менделя генетика неоднократно сталкивалась с их «нарушениями», исключениями: появлением различных результатов в реципрокных скрещиваниях, расщеплениями в первом гибридном поколении, нарушением свободного комбинирования генов.

Даже правило чистоты гамет, которое У. Бэтсон сформулировал как основу представлений о генетической дискретности, не соответствовало законам Менделя. Тем не менее анализ всех этих исключений служил развитию ядерной, а затем хромосомной теории наследственности. Многочисленные эксперименты доказывали важную роль ядра и хромосом в наследственности и, казалось, не оставляли места для иных детерминант наследственных признаков. Тем не менее представления о генах вне хромосом в конце концов получили фактическое обоснование и развились в самостоятельный раздел генетики, исследующий нехромосомное наследование и так называемое цитоплазматическое наследование.

Генетика хлоропластов

Любители комнатного цветоводства хорошо знают декоративные пестролистные формы аукубы, герани, плюща, хлорофитума, традесканции и других растений. У них зеленые листья испещрены белыми или желтыми пятнами, полосами — участками тканей, не содержащими пластид или имеющими дефектные пластиды, лишенные хлорофилла. Такие же формы встречаются в природе и у культурных растений: львиного зева, ночной красавицы, примулы, кукурузы и др.

Наследование пестролистности в начале XX в. изучали К. Корренс (1908) у ночной красавицы (Mirabilis jalapa) и Э. Баур (1909) у герани (Pelargonium zonale). Наиболее характерный пример — наследование пестролистности у ночной красавицы. Пестролистные формы этого растения образуют целые побеги, лишенные хлорофилла.

Если в качестве материнской формы взять цветки бесхлорофилльного побега и опылить их пыльцой зеленого растения, то в F появятся только бесхлорофилльные формы, которые вскоре погибают, т. к. не способны к фотосинтезу. При реципрокном скрещивании в F, все растения оказываются нормальными — зелеными. При опылении цветков пестролистного побега пыльцой зеленой формы в F_i образуются бесхлорофилльные, пестролистные и зеленые растения, при реципрокном скрещивании — только зеленые. Это пример материнского типа наследования. Для него характерно контрастное различие между результатами реципрокных скрещиваний.

Сходные различия в реципрокных комбинациях наблюдаются при скрещивании зеленых и пестролистных форм и у других растений, например у кипрея (Epiloblum). В последнем случае если материнская форма зеленая, а отцовская пестролистная, то в F, подавляющее большинство гибридов зеленые, но изредка (с частотой около 1 на 1 000) встречаются и пестролистные формы.

Бывают и иные различия при реципрокных скрещиваниях, например у герани: если цветки пестролистного растения опыляют пыльцой зеленого, то до 30% гибридов пестролистные, 70% - зеленые. При реципрокном скрещивании 70% гибридов оказываются пестролистными, 30% - зелеными. Это пример наследования по отцовскому типу.

Пластиды — самовоспроизводящиеся органеллы клетки. В отличие от хромосом ядра при распределении между дочерними клетками они не подчиняются строгим законам митоза и мейоза. Аппарат, управляющий распределением пластид, в настоящее время неизвестен, и считается, что они попадают в дочерние клетки случайно при делении цитоплазмы, благодаря тому, что содержатся в клетке во множестве экземпляров (до нескольких сотен).

Реципрокные скрещивания у растений различаются количеством цитоплазмы, привносимым в зиготу яйцеклеткой и спермием. При этом пластиды передаются только от материнской формы, как в случае ночной красавицы, или изредка от отцовской формы, как у кипрея, могут передаваться от обоих родителей или, наконец, преимущественно от отцовской формы, как у герани. Этим и объясняются различия результатов при реципрокных скрещиваниях.

Если в цитоплазме для пестролистных растений имеются нормальные хлоропласты, содержащие хлорофилл, и дефектные — лишенные хлорофилла, то при митозе в некоторые клетки могут попасть только нормальные, а в некоторые — только дефектные пластиды. Большая часть клеток получает оба типа пластид. Этим объясняются появление окрашенных и неокрашенных участков ткани у пестролистных растений и сложные картины расщеплений, иногда наблюдаемые при реципрокных скрещиваниях.

В хлоропластах высших растений и водорослей обнаружена ДНК. Из клеток фотосинтезирующей простейшей водоросли Euglena gracilis выделена кольцевая молекула хлоропластной ДНК, которая, судя по ее длине, имеет молекулярную массу 8,3×10⁷ Д (около 126 т.п.н.). Плотность этой ДНК, равная 1,685 г/см³, отличается от плотности ядерной ДНК (1,707 г/см³), благодаря чему ее можно идентифицировать в качестве отдельного пика при равновесном центрифугировании в градиенте плотности. Этот пик отсутствует у мутанта эвглены, потерявшего хлоропласт. Сравнительная характеристика плотности ядерной и хлоропластной ДНК разных организмов представлена в табл. 8.1.

Таблица 8.1

ДНК хлоропластов водорослей и высших растений.

Примечание: Цифры через тире указывают на крайние значения, полученные разными авторами.

Обнаружение ДНК в хлоропластах стимулировало их изучение как полуавтономной самовоспроизводящейся системы. В пластидах обнаружен самостоятельный аппарат белкового синтеза, во многом отличающийся от цитоплазматического, характерного для эукариот, и сходный с аппаратом белкового синтеза прокариот.

Основные сведения о строгих закономерностях пластидной наследственности получены в экспериментах с зеленой одноклеточной водорослью СЫатукотопаз. У этой водоросли в клетке находится один хлоропласт, где обнаружены два фельген-положительных тельца. Наличие двух молекул ДНК в хлоропласте (диплоидность хлоропласта) подтверждают данные генетического анализа СЫатуАотогш геткагски. В ее пластидной ДНК, или пластоме, локализованы гены, перечисленные ниже (табл. 8.2).

Мутации указанных генов (табл. 8.2) имеют следующие фенотипические проявления:

• 1) неспособность к фотосинтезу; для роста на свету и в темноте необходим источник восстановления углерода — ацетат;
• 2) чувствительность к повышенной или пониженной температуре;
• 3) устойчивость к антибиотикам или потребность в них.

Таблица 8.2

Мутантные гены СИ1атус1отопаз гапИагЛи, локализованные в хлоропластной группе сцепления.

Все эти мутации обычно наследуются только по материнской линии, т. е. от родителя тг. Это связано со сложным биогенезом хлоропласта зигот, в результате которого сохраняется только ДНК хлоропласта, полученная от родителя тС. Такое правило имеет исключение, на котором строится весь рекомбинационный анализ хлоропластной группы сцепления: иногда спонтанно (не чаще чем 1% случаев) зигота получает оба пластома (хлоропластных генома) — от пи* и тС. Тогда все четыре (или восемь) зооспоры, образующиеся при созревании зиготы, оказываются гетерозиготными по генам хлоропласта. Такие гетерозиготы называются цитогетами — цитоплазматическими гетерозиготами. Частоту появления цитогет можно повысить до 50%, облучая женские гаметы (пи*) ультрафиолетовым свегом непосредственно перед копуляцией.

При образовании цитогет все хлоропластные маркеры, вводимые в скрещивание, наследуются не по материнской линии, а от обоих родителей, т. е. т1* и т (. В отличие от ядерных генов, обнаруживающих мейотическое расщепление в тетрадах (октадах) 2: 2 (4: 4), хлоропластные гены у цитогет расщепляются не в мейозе, а при каждом митотическом делении зооспор, пока не выйдут в гомозиготу. Расщепление происходит в результате обменов на стадии четырех нитей, т. е. в момент, когда молекулы хлоропластной ДНК уже удвоены, но еще не разошлись в дочерние клетки. При этом наблюдаются реципрокная рекомбинация, как при митотическом кроссинговере на участке ген-центромера, и конверсия. Роль центромеры при этом играет точка прикрепления хлоропластной ДНК к мембране, управляющая расхождением нитей ДНК при делении пластиды. Картирование генов у цитогет ведется тремя способами:

• 1) по частоте реципрокных обменов на участке ген-точка прикрепления (она рассматривается как центромера);
• 2) по частоте реципрокных обменов на участках между генами;
• 3) по частоте коконверсии генов.

Карта, построенная таким образом, имеет кольцевую форму (рис. 8.1). Обозначения генов представлены в табл. 8.2. Квадратная скобка объединяет гены, последовательность которых не установлена.

Рис. 8.1. Кольцевая группа сцепления хлоропласта СЫатус1отопаз геткагЖп: ар — точка прикрепления хлоропластной ДНК к мембране, икающая роль центромеры Генетический анализ цитогет у хламидомонады основан не только на повышении частоты исключительных зигот при облучении ультрафиолетовым светом родителя пи но и на селекции исключительных зигот, дающих начало цитогетам. Для этого используют доминантный хлоропластный маркер родителя /я/*. Например, т/* - стрептомицинзависимый — зс1 (рецессив), а тГ — стрептомицинчувствительный — 55 (доминант). Зиготы помещают на среду без стрептомицина, на которой не могут прорастать регулярные зиготы, наследующие признак хлоропласта по материнской линии (рис. 8.2) — от тС. На этой среде прорастают только исключительные зиготы, поскольку цитогсты не нуждаются в стрептомицине.

Рис. 8.2. Расщепление в потомстве исключительной зиготы, дающей цитогеты: «+» и «-» — типы спаривания, 55 — чувствительность к стрептомицину,.

5(1 — зависимость от стрептомицина Такие исключительные зиготы, если они были гетерозиготны по ядерным генам, расщепляются в мейозе, а гаплоидные зооспоры далее расщепляются в митозе по маркерам цитогеты.