Глава 13. МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

В главах 6, 7, 9 шла речь о наследственной изменчивости, возникающей в результате комбинаций генов и их взаимодей­ствия, т. е. о комбинативной изменчивости. При этом сами гены не изменялись, менялось их сочетание и характер взаимодей­ствия в системе генотипа. Поэтому данный тип наследственной изменчивости следует рассматривать как вторичное явление, а первичным явлением — источником нового — следует считать мутационное изменение гена.

Термин «мутация» впервые был предложен Г. Де Фризом в его классическом труде «Мутационная теория» (1901—1903). Мутацией он назвал явление скачкообразного, прерывистого изменения наследственного признака. Многочисленные примеры скачкообразных изменений различных признаков, наследую­щихся в ряду последовательных поколений, были известны еще Ч. Дарвину. Он называл их неопределенными изменениями и придавал им большое значение в эволюции. Однако теория му­таций была сформулирована позже Де Фризом. До сих пор не утратили своего значения основные положения его теории:

1) мутация возникает внезапно, без всяких переходов;

2) новые формы вполне константны, т. е. устойчивы;

3) мутации являются качественными изменениями;

4) мутации происходят в разных направлениях, они могут быть как полезными, так и вредными;

5) одни и те же мутации могут возникать повторно.

Однако Де Фриз допустил принципиальную ошибку, проти­вопоставив теорию мутации теории естественного отбора. Он неправильно считал, что мутации могут сразу давать новые виды. На самом деле мутации являются лишь источником на­следственных изменений, служащих материалом для длитель­ного отбора, результатом которого может быть возникновение

нового вида.

Но нельзя не восхищаться научным предвидением Де Фриза в отношении значения основных положений мутационной тео­рии для эволюции и селекции.

I. ПРИНЦИПЫ КЛАССИФИКАЦИИ МУТАЦИЙ

Типы мутаций. Мутационный процесс условно делят на спонтанный и индуцированный. В тех случаях, когда мутации возникают под влиянием обычных природных факторов внеш-

193

ней среды или в результате нормальных физиологических и био­химических изменений в самом организме, их относят к спон­танным. Мутации, возникающие под влиянием специальных воз­действий (ионизирующей радиации, химических веществ, тем­пературы и т. д.), называют индуцированными. Принципиальных различий между спонтанными и индуцированными мутациями нет, но изучение последних подводит генетиков к овладению наследственной изменчивостью и разгадке тайны строения и функционирования гена.

По месту возникновения мутации делятся на генеративные (в половых клетках) и соматические (в клетках тела).

Мутации можно также классифицировать по тем признакам и свойствам, которые они определяют, т. е. по фенотипу, и по характеру изменений в генотипе. Различают мутации и по их адаптивному значению.

До сих пор нет хорошей классификации мутаций; все имею­щиеся классификации искусственны и схематичны.

Генеративные и соматические мутации. Мутации могут воз­никать в клетках любых тканей многоклеточного организма и на любых стадиях его развития. Мутации, возникающие в не­зрелых и зрелых половых клетках, называют генеративными, а в клетках других тканей — соматическими.

Соматические мутации по своей природе ничем не отли­чаются от генеративных. Необходимость такого разделения вы­звана тем, что эволюционная ценность генеративных и сомати­ческих мутаций различна и определяется типом размножения организма. Различие генеративных и соматических мутаций состоит также в проявлении и методах их обнаружения.

Мутации обнаруживаются в половых клетках в тех случаях, если они определяют их морфологические и физиологические особенности. Так, например, у крупного рогатого скота известны гены, определяющие аномалии в строении сперматозоида: экс­центричное расположение хвостика, изгиб головки и др. Мута­ции, вызывающие изменение признаков и свойств организма, могут быть обнаружены, если гамета, несущая мутантный ген, участвует в образовании зиготы, т. е. передается следующему поколению. Если мутация доминантна, то новый признак или свойство проявляется даже у гетерозиготного организма, про­исшедшего из этой гаметы; если мутация рецессивна, то мутант­ный ген может не проявить своего действия в течение несколь­ких поколений, сохраняясь в гетерозиготном состоянии. Появ­ление нового признака возможно только при переходе рецес­сивного гена в гомозиготное состояние (в F₂, F₃ и т. д.).

Если генеративная мутация возникает в клетке на ранней стадии зачаткового пути или в период размножения спермато-гониев и оогониев, то мутантный ген размножится в количестве, пропорциональном числу прошедших клеточных делений, В этом

случае часть половых клеток будет мести одинаковую мутацию («пучок» идентичных мутаций), у остальных клеток генотип останется неизменным. Мутация, возникшая на стадии сперма­тозоида или яйцеклетки, останется единичной.

Соматическая мутация проявляется мозаично. Особи, несу­щие участки мутантной ткани, называют мозаиками или химе­рами. Чем раньше в онтогенезе возникает соматическая мута­ция, тем большим оказывается участок ткани, несущий данную

мутацию, и чем позднее — тем мень-                                82.

ШИМ. В силу диплоидности набора хро- Соматическая мутация (тем-
мосом в клетках соматической ткани ное пятно) окраски шерст-
проявление мутации возможно только ного покрова у каракуль-
в тех случаях, когда мутантная аллель                       ^{ской ов}ч^ы<

оказывается доминантной или рецес­сивной, но только в гомозиготном состоянии. На рисунке 82 показана соматическая мутация окраски шерстного покрова у овцы: черное пятно возникло на фоне коричневой окраски. По­добные явления иногда встречаются у растений, животных и че­ловека.

У организмов, размножающихся исключительно половым пу­тем, характеризующихся ранним обособлением зачаткового пути, соматические мутации не играют роли в эволюции и не представ­ляют какой-либо ценности для селекции. Но у организмов с бес­полым размножением соматические мутации могут иметь огром­ное значение и в эволюции, и в селекции. Так, например, у ве­гетативно размножаемых плодовых и ягодных растений лю­бая соматическая мутация может дать растения и целый клон

 

194

195

с новым Мутантным признаком. Одним из видов соматических мутаций у растений являются почковые мутации, возникающие в меристемных клетках точки роста стебля. В этом случае весь побег, развившийся из этой клетки, будет нести мутантный признак. Почковые мутации были известны давно и называ­лись спортами.

Исследование соматических мутаций в настоящее время при­обретает важное значение для изучения причин возникновения рака у человека и животных. Предполагают, что для ряда зло­качественных опухолей превращение нормальной клетки в ра­ковую происходит по типу соматических мутаций (см. гл. 30).

Классификация мутаций по фенотипу. Поскольку генотип определяет последовательную цепь процессов при развитии ор-

83.

Мутация коротконо­гое™ у овцы. Справа и в центре — баран и овца коротконогие, слева — овца с нор­мальными ногами.

ганизма, т. е. морфологическую, физиологическую и биохимиче­скую дифференциацию тканей и составляющих их клеток, то очень важна классификация мутаций по их действию. Мутации условно делят на морфологические, физиологические и биохи­мические.

Морфологические мутации (часто их называют видимыми) связаны с изменением в строении или свойствах органов, тка­ней или отдельных структур клетки. К ним относятся, например, коротконогость у ряда сельскохозяйственных животных — круп­ного рогатого скота, овец и др. (рис. 83), безглазость и бескры­лость у насекомых, бесшерстность у млекопитающих, неопушен-ность различных органов у растений, гигантизм, карликовость, альбинизм у человека и др.

Мутации могут оказывать действие на внутриклеточные структуры и процессы: на поведение хромосом в мейозе, на кле­точное деление. Так, например, у кукурузы обнаружена мута­ция, которая обусловливает отсутствие конъюгации гомологич­ных хромосом в мейозе, другая вызывает слипание хромосом в метафазе в сплошную массу (типа пикноза), третья приводит к задержке цитокинеза вследствие нарушения ахроматинового

196

аппарата. Эти факты показывают, что поведение самих хромо­сом также контролируется генотипом.

У различных организмов известно большое количество фи­зиологических мутаций, вызывающих изменения физиологиче­ских процессов. Типичным примером может быть мутация, вы­зывающая у мышей круговые, «вальсирующие» движения. Боль­шинство физиологических мутаций изменяет жизнеспособность особей.

К биохимическим мутациям относятся мутации, изменяющие качественно или количественно синтез определенных химических веществ в организме. Благодаря этим мутациям изменяется об­мен веществ организма и как следствие его химический состав и потребности в тех или иных химических веществах. Наиболее

84

^ы '                                            Фенилаланин н---- *■ Тирозин Ч------- *■ Меланин

Схема фенилаланин-                      I         з              \ '

тирозинового обмена                     1                               \^

у человека:                   ФенилпироВиноградная       ГомогентизиноВая

1—3—места блокирования         кислота                           кислота

биохимических реакции                                                                    у

при различных мутациях;                                                                  2 \,

/ — альбинизма, 2 — ал-                                                                         + u n

каптоиурни, 3 —феиилке-                                                                    LU_Z ⁺ H2U

тонурии.

хорошо они изучены у микроорганизмов. Многие мутанты (их называют ауксотрофами) не развиваются без введения в среду некоторых недостающих им веществ, в отличие от прототро-фов — организмов дикого типа, способных синтезировать все необходимые для своего роста вещества и растущих на мини­мальных средах, содержащих только минеральные соли и угле­воды (см. гл. 15).

Классификация мутаций по фенотипу, т. е. по их проявле­нию, очень условна. В действительности в основе проявления всех мутаций всегда лежат изменения биохимических процес­сов. Рассмотрим конкретный пример. Организму человека для нормального обмена веществ необходимы такие аминокислоты, как фенилаланин и тирозин. Он получает их обычно из белков пищи, а тирозин, кроме того, синтезируется из фенилаланина. В организме тирозин участвует в цепи биосинтеза многих бел­ков, некоторых гормонов (тироксина, норадреналина и др.), ме­ланина или распадается до С0₂ и Н₂0. Фенилаланин также участвует в синтезе белков, как уже упоминалось, в образова­нии тирозина или превращается в фенилпировиноградную кис­лоту (рис. 84). Однако если вследствие мутации блокируется одно из звеньев цепи биосинтеза меланина, то в меланоцитах не вырабатывается пигмент. Обнаруживается такая мутация по отсутствию пигмента в волосах, коже, глазах и называется мутацией альбинизма. Она может быть отнесена к числу види­мых, или морфологических, мутаций.

197

У людей, больных алкаптонурией, моча на воздухе чернеет. Биохимический анализ показал, что это происходит благодаря окислению гомогентизиновой кислоты. Причиной наличия го-могентизиновой кислоты в моче больных является мутация, ко­торая называется по своему проявлению биохимической и свя­зана с блокировкой цепи биохимических реакций на стадии гомогентизиновой кислоты. У нормальных людей эта цепь ре­акций заканчивается образованием С0₂ и Н₂0.

Некоторые виды слабоумия, как показывают генетические исследования, также обуславливаются мутационными измене­ниями генов. По проявлению их можно отнести к числу физио­логических. Однако биохимические анализы показали, что, например, один из видов умственной неполноценности — фенил-кетонурия — связан с нарушением синтеза тирозина из фенила-ланина и накоплением в связи с этим фенилпировиноградной кислоты, которая блокирует цепи ряда реакций и в конечном счете является причиной слабоумия.

Из этих примеров становится ясно, насколько условно деле­ние мутаций по фенотипу, ведь в основе всех рассмотренных изменений лежат изменения в цепи биохимических превра­щений.

Условность этой классификации становится еще более оче­видной, если учесть, что большинство генов обладает плейотроп-ным эффектом. Поясним это на том же примере. Как уже было сказано, фенилкетонурия связана со слабоумием. Однако на­блюдения показывают, что у таких людей постоянно наблю­дается ослабление пигментации (изменение морфологического признака), в моче их присутствует фенилпировиноградная кис­лота (откуда происходит и название болезни — фенилкетону­рия). В крови больных отсутствует фермент, обеспечивающий синтез тирозина из фенилаланина, что и является, очевидно, первичным дефектом обмена. Гормональная система таких больных бывает также ненормальной как следствие угнетения некоторых цепей реакций накапливающимися продуктами нару­шенного обмена.

Классификация мутаций по адаптивному значению. По адап­тивному значению мутации можно делить на полезные, ней­тральные и вредные: летальные и полу летальные (семи-, или сублетальные). Это деление тоже очень условно и относительно.

Снижение жизнеспособности организмов и торможение раз­вития вызывают мутации, которые относятся к группе полуле­тальных или летальных. Методы анализа их наследования бу­дут рассмотрены ниже.

Мутации, увеличивающие жизнеспособность особей, расши­ряющие их адаптационные возможности, повышающие плодо­витость, относят к числу полезных. Примером может служить мутация, приводящая к увеличению синтеза антибиотиков

в клетках грибов — продуцентов антибиотиков, ибо она увели­чивает вероятность выживания таких клеток.

Между полезными, летальными и полулетальными мута­циями существуют почти непрерывные переходы. Есть мутации, которые не изменяют вероятности выживания особи или остав­ления ею потомства, их, очевидно, можно отнести к числу ней­тральных.

Классифицировать мутации по их адаптивному значению можно только условно, так как при изменении условий внешней среды мутации из полезных могут стать вредными или наобо­рот. У лабораторного объекта — дрозофилы мутанты с белыми глазами в нормальных условиях выращивания обладают пони­женной жизнеспособностью по сравнению с мухами дикого типа. При повышении температуры белоглазые мухи оказы­ваются более приспособленными и успешно конкурируют с красноглазыми. А. Густафсон описал ярко-зеленый хлоро-фильный мутант (полезная мутация) у ячменя, который давал значительно больший урожай на севере Швеции. На юге этот мутант нейтрален.

При оценке адаптивного значения мутаций надо иметь в виду также, что признаки, полезные с точки зрения хозяйст­венной, могут быть нейтральными или даже вредными биологи­чески. Например, только что рассмотренная мутация синтеза антибиотиков хозяйственно тем полезнее, чем больше антибио­тика синтезирует клетка —- продуцент. Для организма же она является полезной лишь до определенного предела, а потом чрезмерный синтез антибиотика начинает угнетать клетку и может привести ее к гибели. Те же рассуждения относятся и к мутациям, увеличивающим молочную продуктивность у круп­ного рогатого скота, тонину шерсти у овец, толщину сала у свиней и т. д. При чрезмерной гипертрофии одних признаков начинается дисгармоничное развитие других, часто приводящее к гибели всего организма.

Классификация мутаций по характеру изменений генотипа. Почти любое изменение в структуре, или числе хромосом, или в некоторых важнейших клеточных органоидах, при котором клетка сохраняет способность репродуцироваться, обусловли­вает наследственное изменение признаков организма. Приведем общепринятую классификацию мутаций по генотипу.

Генные, или точковые, мутации: цитологически невидимые изменения в хромосомах.

Хромосомные: внутрихромосомные и межхромосомные пере­стройки.

Геномные: изменение количества хромосом.

Цитоплазматические: изменения плазмогенов.

Организмы, у которых изменен генотип любым из только что упомянутых способов, называются мутантами.

 

198

199

2. ГЕННЫЕ МУТАЦИИ

Характеристика генных мутаций. Мутации генов (точковые) встречаются у всех органических форм. Как уже было сказано, они происходят в отдельных клетках и проявляются скачко­образно у отдельных особей (мутантов).

Аллели генов, типичные для диких форм вида, называют ге­нами дикого типа или нормальными, а измененные — мутант-ными. Принципиальной разницы между ними не существует. Многие гены, свойственные диким формам вида, также были когда-то мутантными, а затем благоприятные мутантные аллели в ходе эволюции вида распространились до такой концентра­ции, что каждая особь вида стала их носителем.

Большинство мутаций при возникновении оказываются ре­цессивными. Это очень важно для существования вида, так как в большинстве своем вновь возникающие мутации, нарушая целостную систему генотипа, оказываются вредными. Однако их рецессивный характер позволяет им длительное время со­храняться у особей вида в гетерозиготном состоянии без вреда для них и проявиться в будущем при переходе в гомозиготное состояние.

Мутации гена от дикого типа к новому состоянию называют прямыми, а от мутантного к дикому — обратными. Сам процесс обратного мутирования называют реверсией гена. Прямые му­тации чаще являются рецессивными, а обратные — доминант­ными. Исходный ген мутирует в новое состояние и обратно без промежуточных ступеней. Частота возникновения прямых мута­ций для разных генов бывает различной, в среднем на 100 тыс. или на 1 млн. генов мутирует от одного до пяти, т. е. мутации — явления очень редкие. Однако при учете суммарной частоты встречаемости различных мутантных генов в популяциях расте­ний, животных и человека эта цифра резко увеличивается. Так, специальные расчеты показали, что каждая гамета у людей не­сет до 5—6 рецессивных мутантных генов, уменьшающих жизне­способность (см. стр. 232). Одни и те же мутации могут появ­ляться в разное время. Это говорит о том, что гены могут мути­ровать в одном направлении многократно.

В ряде случаев возврат к дикому типу представляет собой не обратную мутацию гена, а имитируется мутацией другого гена. Гены, которые путем взаимодействия с другими рецессив­ными генами приводят к появлению дикого фенотипа, назы­ваются супрессорами, а такой тип взаимодействия, являющийся частным случаем эпистаза,— супрессией. Поэтому, прежде чем решить вопрос, действительно ли произошла обратная мута­ция, необходимо провести генетический анализ. В исследова­ниях, проводимых на дрозофиле, бактериях и фагах, нейроспоре и дрожжах, было показано, что реверсия к дикому типу может

Происходить не только за счет обратных мутаций гена, но и за счет мутаций других генов — супрессоров.

Множественный аллелизм. До сих пор при изложении мате­риала мы исходили из положения, что один и тот же локус го­мологичных хромосом может быть представлен двумя алле­лями: А и а, В и Ь, С и с и т. д. На самом деле один и тот же ген может изменяться в несколько состояний; иногда таких со­стояний бывает несколько десятков и даже сотен. Ген А может мутировать в состояние а¹, а², а? ... а^п. Ряд состояний одного и того же гена называют серией множественных аллелей, а само явление — множественным аллелизмом. Схематически возник­новение серии множественных аллелей иллюстрируется на ри­сунке 85.

Изучение серий множественных аллелей показало, что лю­бая аллель такой серии может возникать мутационно непосред-

85.                                           Д ^ *ig

Схема возникновения серии мно-             j

жественных аллелей:

/ — две аллели одного гена; 2 — серия из четырех аллелей; стрелками ука­зано направление мутирования.

ственно от аллели дикого типа или любого другого члена дан­ной серии, а каждый из членов серии, по-видимому, имеет свою характерную частоту мутирования.

Наследование членов серии множественных аллелей под­чиняется менделевским закономерностям. При этом, в отличие от генов, для которых известно только два состояния, сочетание двух разных членов серии множественных аллелей в гетерози-готе называют компаундом.

Рассмотрим примеры множественного аллелизма и наследо­вание серии аллелей одного гена.

У норок существует серия множественных аллелей по ок­раске шерсти: коричневая (дикий тип), платиновая (сереб­ристо-голубая) и белая. При скрещивании коричневых норок с платиновыми в Fi доминирует коричневая окраска. В F₂ на­блюдается расщепление в отношении 3 коричневые: 1 платино­вая. Скрещивание платиновой с белой дает гибридов F\ с приз­наками первого родителя, а в F₂ происходит расщепление: 3 платиновые к 1 белой. При скрещивании коричневой с белой также имеет место полное доминирование коричневой окраски в F[ и расщепление 3:1 в F₂ (рис. 86). Обычно серию множе­ственных аллелей обозначают по названию признака, впервые найденного, или по общему характеру действия данного ло-куса, способного мутировать в разные состояния. Серия окраски

 

200

201

VV"

87,                                шерсти у норок обозначается буквой

Неполное доминирование в серии множественных алле­лей. Аллели о\ vb, vf оп­ределяют рисунок седова­тых пятен на листьях бело­го клевера.

Р — РР — коричневая; рр — платино­вая; p^hp^h — белая.

Изучение наследования призна­ков в случае множественного алле-лизма способствует углублению пони­мания явления доминирования и по­казывает его относительный характер: одна и та же аллель может быть доминантной или рецессивной по отношению к другим аллелям того же гена.

Нередко доминирование у гетерозигот серии бывает непол­ным. Так, у белого клевера ген, обусловливающий рисунок пя­тен на листе, представлен серией из 10 аллелей. В этом случае в компаунде имеет место неполное доминирование — проявле­ние обеих аллелей, что хорошо видно на рисунке 87.

jAjB

Серии множественных аллелей обнаружены у крупного ро­гатого скота, кроликов, мышей, морских свинок, дрозофилы, а также у кукурузы, табака, гороха и др. У человека известна серия аллелей: /^А, /^в, 1°, которая определяет полиморфизм по группам крови:

IAIA или 1А1°

jBjB jQjO

ВтО

1а1

или

Группа АВ соответствует генотипу
»   А         »            »

В О

Существование серии множественных аллелей локуса, опре­деляющего самостерильность у растений, является тем меха­низмом, который в ряде случаев обеспечивает перекрестное оплодотворение. Так, было показано, что у табака, клевера и других растений на рыльцах прорастает только пыльца, несу­щая аллель, отличную от аллелей, имеющихся в генотипе рыль­ца по локусу самостерильности. Этот ген обозначают буквой S, а аллели нумеруют; у красного клевера, например, в этой се­рии описаны аллели от Si до S₃o- Если диплоидное рыльце имеет генотип S\ и 5₂, то на нем прорастет пыльца всех аллелей, кроме S\ и 5г, т. е. не прорастет пыльца того же растения, чем и обеспечивается самонесовместимость и обязательное пере­крестное опыление. Множество аллелей в таких сериях обеспе­чивает большую вероятность прорастания чужой пыльцы, т. е. осуществление перекрестного оплодотворения.

Распространенность множественного аллелизма среди жи­вотных, растений и микроорганизмов и наличие его у человека могла быть обусловлена тем, что это явление увеличивает резерв мутационной изменчивости, а потому имеет приспособительное значение в эволюции. В свете современных данных о строении гена складывается впечатление, что любой локус может быть представлен серией множественных аллелей с большим или меньшим числом членов (см. гл. 17).

ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ

Внутрихромосомные изменения. Хромосомные перестройки принято относить к мутациям, так как их наличие в клетках обычно связано с изменениями свойств этих клеток или возни­кающих из них организмов.

К внутрихромосомным изменениям относят: нехватки части хромосомы (дефишенси и делеции); удвоение, или, точнее, умножение, тех или иных участков хромосомы {дупликации); изменение линейного расположения генов в хромосоме вслед­ствие перевертывания на 180° отдельных участков хромосомы {инверсии).

Нехватки могут захватывать участки хромосом различной длины и в разных частях ее. Если разрыв происходит в одной из плеч хромосомы так, что один из ее концов утрачивается (рис. 88,7), то данное плечо укорачивается. Оторвавшийся фрагмент вместе с содержащимися в нем генами теряется при ближайшем делении ядра, если он лишен центромеры. Такие нехватки называют терминальными (или концевыми).

Разрывы иногда происходят одновременно в двух плечах хромосомы, вследствие чего элиминируются оба ее конца (рис. 88,2). При этом открытые концы могут соединиться, обра­зуя в митозе кольцеобразную хромосому.

 

202

203

А В CD Ј

ШУ-уЩШ)

Ю±

А В   С d e

88,                                      Нехватки также образуются при

Типы нехваток хромосом: / — концевая нехватка; 2 — кон­цевые нехватки; 3 — виутрихро-мосомная нехватка.

двух одновременных разрывах в од­ном плече хромосомы (рис. 88,3). Ме­ста разрывов соединяются, и хромо­сома становится короче, при этом внутренний участок элиминируется. Если выпавший фрагмент достаточно велик, то перед элимина­цией открытые его концы могут соединиться, а в метафазе обнаруживается ацентрическое кольцо.

К малым нехваткам относят такие, которые связаны с вы­падением нескольких хромомер или только части хромомеры — это микроделеции. Микроделеции можно обнаружить только при исследовании гигантских хромосом. Мелкие нехватки обычно сохраняются в гомозиготном состоянии, давая иногда фенотипический эффект и имитируя генную мутацию. Единст­венный показатель, по которому их отличают от мутации гена,— это отсутствие обратного мутирования.

Большие нехватки, как правило, в гомозиготном состоянии детальны, что подтверждает большое значение каждого локуса хромосомы для жизни клетки и организма. Жизнеспособными могут быть только гетерозиготы по нехваткам. В этом случае мутации, определяемые нехватками, проявляются как доминант­ные. Нехватки вызывают, как правило, понижение общей жиз­неспособности и плодовитости особей. Фенотипический эффект нехватки участка хромосомы объясняют тем, что она нарушает

генетическую систему хромосомы, последовательность располо­жения генов, их взаимосвязь.

Крупную нехватку, затрагивающую несколько дисков, можно обнаружить генетическими и цитологическими методами. Так, например, существует линия дрозофилы, где самки в одной из Х-хромосом несут нехватку части хромосомы, содержащую ген white. Эта нехватка, названная в свое время мутацией Notch, в гетерозиготном состоянии обусловливает развитие вырезки на крыльях, т. е. является доминантной. В гомозиготном состоя­нии она обусловливает гибель организма, т. е. обладает рецес­сивным летальным действием.

Если скрестить самку дикого типа, имеющую нормальные половые хромосомы, с самцом, несущим в единственной Х-хро-мосоме три рециссивных гена в гемизиготном состоянии: у— желтый цвет тела, w — белые глаза и / — вильчатые щетинки, то все особи первого поколения будут по фенотипу нормаль­ными:

При скрещивании же гетерозиготной самки из линии, несу­щей аллели у⁺ и /+ и в гетерозиготе нехватку локуса w, с сам­цом ywf в Fi половина самок будет дикого типа, а именно у w f _{+ + +} ; другая лоловина окажется с вырезками на крыльях

и белыми глазами: ₊___ ₊ . Очевидно, у таких самок рецессив­
ный ген w проявился вследствие того, что доминантная аллель
w+ в гомологичной хромосоме отсутствует, а вырезки на крыль­
ях также являются следствием нехватки.

Как же осуществляется конъюгация гомологичных хромосом в мейозе в случае нехватки участка в одной из них? В мейоти-ческих хромосомах это наблюдать трудно. Лишь когда утра­чивается достаточно большой участок хромосомы, такие не­хватки можно обнаружить в пахитенной стадии.

Удобной моделью для изучения нехваток являются гигант­ские хромосомы. Гомологичные хромосомы слюнных желез дро­зофилы в норме конъюгируют довольно тесно (соматическая конъюгация). При этом идентичные диски тесно прилегают друг к другу. Но в случае гетерозиготного состояния по нехватке внутреннего участка одной из хромосом нормальная конъюга­ция в этом районе нарушается. Диски такого участка нормаль­ной хромосомы, не имея себе партнеров в другой хромосоме, об­разуют петлю, в то время как все остальные гомологичные диски в обеих хромосомах тесно прилегают друг к другу (рис. 89).

 

204

205

abed e f ^.,...M.'.;.i. '.-.u.;-..:.'..;...Ta А Е П С В F

норма индерсия

A F

bed

Если в норме в каждой хромосоме ген представлен одной дозой, то при удвоении или умножении несущего его участка •— дупликации доза гена соответственно увеличится в 2 и более раз. Например, если гены в нормальной хромосоме располо­жены в порядке ABC, то при дупликациях одного из генов могут возникнуть состояния АВВС или АВВВС и т. д. По-видимому, более частым случаем дупликации является повторение иден­тичных участков хромосомы, содержащих несколько генов, на­пример: АВСАВСАВС, что обнаружено у мыши, нейроспоры, аспергилла, кукурузы и др. Прекрасным примером накопления идентичных участков хромосомы является изменение фенотипи-

Ъг ;

ш/т

"■**A-».W/j

vfffiW

89.

Конъюгация гомологичных хромосом при наличии не­хватки в одной из них. Уча­стки гигантских хромосом (слева) и схема их (справа): / — нормальные хромосомы; 2 — в одной из хромосом имеется нехватка локусов BCD.

ческого проявления формы глаз типа Ваг у дрозофилы (см. гл. 9).

Дуплицированные участки не толь­ко могут находиться в соседних уча­стках хромосомы, как это наблюда­ется в случае возникновения эффекта Ваг, но могут быть распределены по всей хромосоме, а в некоторых слу­чаях перемещены и в другие хромо­сомы. По-видимому, умножение идентичных участков является широко распространенным явлением в эволюции хромосом и видов.

Если в каком-либо участке нормальная последовательность генов ABCD, то при перевертывании на 180° — инверсии участка ВС этот порядок может измениться и стать ACBD.

Для образования инверсии внутри хромосомы необходим разрыв в двух точках. Инверсии часто связаны с рециссивным летальным эффектом, поэтому они не сохраняются в гомозигот­ном состоянии, и их обычно обнаруживают в гетерозиготе:

ABCDEF b а с d e f

Однако встречаются и такие инверсии, которые не связаны с летальным эффектом.

90.

Дицентрическая хромосома е     F В С й е f d Ацентрическая хромосома a b С D e f

Конъюгация и кро-ссинговер в случае гетерозиготной ин­версии в акроцент-рнческой хромосо­ме и продукты мейоза:

/ — нормальная (аЬс def) и инвертирован­ная (AEDCBF) хромо­сомы до конъюгации; 2 — конъюгация; 3 —

одинарный кроссин-

говер н продукты
мейоза (дицентриче-
ская и ацентрическая
хромосомы); 4—двой­
ной кроссинговер и
продукты  мейоза;

светлым   кружком

обозначены центро­меры.

Инверсию можно обнаружить цитологически в гигантских хромосомах или на пахитенной стадии мейоза. При гомозигот­ной инверсии конъюгация хромосом и кроссинговер осущест­вляются нормально. При гетерозиготной инверсии происходит конъюгация хромосом, как это показано на рисунке 90. Инвер­тированная хромосома образует петлю, а нормальная огибает ее. Перекрест хромосом у таких гетерозиготных по инвер­сиям особей происходит также своеобразно.

На рисунке 90, 3 можно видеть, что если происходит оди­нарный обмен между хромосомами, то в результате образуются две необычные хромосомы: одна из них без центромеры, элими­нирующаяся при делении клетки, а другая — с двумя центроме­рами (дицентрическая хромосома). Последняя в анафазе I при полярном расхождении центромер образует хромосомный «мост». Мост может разорваться в любом месте, в результате чего га­меты получат хромосомы с более или менее значительными

 

20G

207

нехватками по одним участкам и с дупликациями по другим и поэтому окажутся нежизнеспособными. Нормальные жизнеспо­собные гаметы могут образовываться только за счет хромосом, не вступивших в перекрест или претерпевших двойной кроссин-говер (рис. 90,4). Однако последний случай встречается очень редко. Так как кроссоверные гаметы за счет одинарного крос-синговера оказываются нежизнеспособными, то и создается впе­чатление об отсутствии или подавлении кроссинговера у гетеро-зигот по инверсиям. Поэтому инверсии иногда называются за-пирателями кроссинговера.

Инверсии встречаются в природных популяциях животных и растений, а также могут быть получены в эксперименте, осо­бенно под влиянием ионизирующих излучений и ряда химиче­ских веществ. Полагают, что инверсии имеют существенное значение в образовании видов, приводя к внутривидовой изо­ляции.

Межхромосомные изменения. Кроме рассмотренных внутри-хромосомных перестроек существуют изменения, связанные с об­меном участками между негомологичными хромосомами. Такие межхромосомные перестройки называются транслокациями.

Допустим, что в норме одна пара хромосом несет гены

ABCD                                       EFGH „

——---- , а другая пара — гены ———. При одновременном раз-

ABCD                                       EFGH

рыве в двух негомологичных хромосомах оторвавшиеся сег-

_л                                               ABGH    EFCD

менты взаимно обменяются местами, например:------ и --------- ,

^к ^ ABCD  EFGH

при этом обменявшиеся участки могут быть равной или нерав­ной длины и, таким образом, включать равное или неравное количество генов. Такой тип обмена называют взаимной или ре-ципрокной транслокацией.

Главным генетическим эффектом транслокации является из­менение групп сцепления: перемещенные гены входят в новые группы сцепления, и тем самым нарушается сложившаяся сис­тема генотипа.

Большой интерес представляет поведение транслоцированных хромосом в мейозе, так как конъюгация таких хромосом у гете­розиготных особей протекает своеобразно. У гетерозиготы по транслокации в профазе I при конъюгации образуется фигура в виде креста. Она возникает в силу того, что гомологичные локусы, оказавшиеся в разных хромосомах, испытывают взаим­ное притяжение на стадии зигонемы (рис. 91). В стадии дипло-немы крестообразные фигуры образуют сложные хиазмы. В диа-кинезе в силу сползания хиазм от центромер к концам хромо­сом образуются кольцеобразные фигуры. Иногда хромосомы кольца, переворачиваясь, образуют фигуры в виде восьмерки. Именно такой тип расположения хромосом и дает жизнеспособ­ные сбалансированные гаметы (рис. 91, /), так как в этом слу-

 

Сперматозоид __ с транслокаиией

а и . и и

чае к одному полюсу отхо­дят либо обе измененные хромосомы, либо обе неиз­мененные. Когда же хромо­сомы расположены в мейозе в виде колец, образуются гаметы с несбалансирован­ными геномами: в одних — гены повторяются дважды, в других — они отсутствуют, т. е. имеется либо удвоение, либо нехватка (рис. 91, 2, 3). Нежизнеспособные гаме­ты в некоторых случаях можно определить под мик­роскопом, например, сте­рильные микроспоры у ку­курузы, энотеры и др. ока­зываются сморщенными или пустыми в отличие от нор­мальных.

АППС AABD ЛССВ

Сбалансированные гаметы

Несбалансированные гаметы

91

Картины конъюгации и продукты мейоза при гетерозиготных траислокациях: / — образование сбалансированных гамет в слу­чае расположения хромосом в виде восьмерок в мейозе; 2, 3 — образование несбалансиро­ванных гамет в случае кольцеобразного рас­положения хромосом в мейозе.

У кукурузы ориентация хромосом в виде восьмерок происходит примерно в 50% случаев, что приводит к об­разованию 50% фертиль-ных гамет. У дурмана, пше­ницы, ячменя, томатов, эно­теры и других растений ориентация в виде восьме­рок происходит более часто, что и объясняет большую их фертильность.

У ряда высших растений, например у энотеры, пиона, дурмана, колокольчика и др., наличие гетерозиготных транслокаций в генотипе является нормальным со­стоянием. Транслокации распространены и среди животных, осо­бенно часто они встречаются у кузнечиков и скорпионов.

Механизмы возникновения хромосомных перестроек и их значение. Механизм возникновения хромосомных пере­строек остается еще далеко не ясным. Частота хромосомных перестроек зависит от внешних агентов (ионизирующих излу­чений, химических веществ) и физиологического состояния ор­ганизма.

 

208

° Генсека с основами селекции

209

гл .

Деления

KSliWl

о

о >

\

Аиентрическае кольио

92.

Механизмы возникновения вну-трихромосомных перестроек при разрывах в акроцентрической хромосоме. Цифрами обозна­чены гены.

Инверсия

Образование всякой хромосомной перестройки происходит благодаря разрыву и соединению фрагментов.

Рассмотрим, как возникают делеции и инверсии в однопле­чих (акроцентрических) хромосомах.

Если акроцентрическая хромосома, гены которой на рисунке 92 обозначены цифрами, случайно образовала петлю и в точке контакта произошел разрыв, то соединение может идти тремя путями: с сохранением нормальной структуры хромосомы, с об­разованием хромосомы с делецией и ацентрического кольца, ко­торое в метафазе окажется неориентированным в силу отсут­ствия центромеры, и элиминируется с возникновением инверсии.

Таким же образом и в метацентрической хромосоме может либо восстанавливаться нормальная структура, либо возникать хромосомная аберрация.

Разрыв и обмен могут осуществляться в момент, когда хро­мосома представлена функционально единичной нитью (ранняя интерфаза) или двумя хроматидами (поздняя интерфаза и про­фаза I). Перестройки, происшедшие на стадии единичной нити, называются иногда хромосомными перестройками, а на стадии двух хроматиД — хроматидными перестройками.

Изучение хромосомных перестроек дало генетикам метод исследования генотипа как системы. Хотя хромосомы наследст­ венно дискретны, т. е. различные их локусы определяют разви­тие разных признаков и свойств организма, но все же каждая хромосома представляет целостную систему взаимодействующих

210

генов, сложившуюся в процессе эволюции. Доказательством этого служат факты, показывающие, что изменение порядка ге­нов в инверсиях и транслокациях часто является причиной воз­никновения, новых признаков. Это же явление наблюдается при некоторых дупликациях и нехватках.

А. Стертевант, обнаружив мутацию Ваг, истолковал ее как следствие изменения положения гена в хромосоме, вызвавшее изменение признака. Изменение действия гена в зависимости от его положения в системе других генов он предложил назы­вать эффектом положения. Это была первая попытка рассмат­ривать ген не как самостоятельную единицу, а как часть всей системы генотипа. Теперь получено много фактов в пользу пра­воты такой точки зрения (см. гл. 24).

Разлом хромосомы, происшедший вблизи какого-либо гена, вызывает изменение характера его доминирования. Один из убе­дительных примеров такого рода был получен Б. Н. Сидоровым и Н. П. Дубининым. Ими наблюдалось изменение доминирова­ния гена ci (прерванная жилка крыла), находящегося в IV хро­мосоме дрозофилы. Если в IV хромосоме происходит разрыв в непосредственной близости от нормальной доминантной ал­лели гена ci+ и к этому месту прикрепляется фрагмент другой хромосомы, то свойство доминирования нормальной аллели ос­лабляется и рецессивный ген ci, находящийся в гетерозиготном состоянии, проявляется.

Б. Н. Сидоровым был установлен другой очень важный факт, а именно обратимость эффекта положения. Рецессивный ген h (добавочные щетинки) проявляется в гетерозиготном состоянии при изменении его местоположения в результате транслока­ции в III хромосому. При возвращении его обратно в IV хромо­сому характер проявления гена восстанавливается к исходному типу. Таким образом установлено, что изменение проявления гена может зависеть от новой внутрихромосомной «среды» без изменения структуры самого гена.

В настоящее время считается общепринятым, что любые хро­мосомные перестройки или вызывают видимый эффект, или затрагивают жизнеспособность, плодовитость и другие физиоло­гические свойства организма. Эти явления лучше всего объяс-няются с точки зрения эффекта положения гена. Удовлетвори­тельного объяснения механизмов явления эффекта положения пока не дано. Его изучение является проблемой будущего, ре­шение которой может преодолеть формализм в толковании це­лого ряда генетических явлений, так как эффект положения по­зволяет рассматривать ген как функциональную генетическую единицу, а генотип как целостную систему, характерную для каждого вида.

С помощью хромосомных перестроек могут создаваться новые системы генотипов. Так, в случаях ' возникновения

8*

211

 

93.                                жизнеспособной формы, гомозиготной

Гаплоидные наборы хромо- ^п0 транслокации, инверсии или дупли-

сом некоторых видов рода кации, она может оказаться приспо-

Drosophila:                    собленной к определенным условиям

гш'⁵' з™Dⁿ°^i^SiH_S^rioni~ 4-d"   существования и размножится, а за-

americana. Закрашены' гомоло-  Тем обоСОбИТСЯ В НОВЫЙ ВИД. У ЭТОГО
гичные участки хромосом.    _{mBQm ввда сохраняются п}реЖНИе Ге-

ны, но либо они окажутся в других группах сцепления, либо изменится последовательность распо­ложения их в хромосоме (рис. 93). Следовательно, роль хромо­сомных перестроек важна и для эволюции.

ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ

Сущность и причины возникновения геномных мутаций.

Число, форма и размер хромосом являются систематическими признаками для каждого вида. Основной единицей кариотипа является гаплоидный набор хромосом, т. е. такой набор, в кото­ром из каждой пары гомологичных хромосом представлена только одна. Совокупность генов, заключенную в таком гапло­идном наборе, называют геномом, а число хромосом в гаплоид­ном наборе — основным числом и обозначают буквой п.

Митоз и мейоз являются точнейшими механизмами деления клетки, обеспечивающими постоянство числа хромосом из поко­ления в поколение. Однако в некоторых случаях эти механизмы нарушаются, что может выражаться в неравном расхождении хромосом к полюсам клетки — нерасхождение хромосом (см. гл. 8), а также в удвоении хромосом, но без цитокинеза (эндоми-тоз). В результате таких нарушений возникают клетки с изме­ненным числом хромосом.

Причины нарушения нормального деления клеток, приводя­щие к нерасхождению хромосом и торможению цитокинеза, до конца не выяснены. Предполагают, что в первую очередь здесь играет роль изменение в ахроматиновом аппарате клетки: по­вреждение сократительной функции тянущих нитей веретена, а также центромер и центриолей, потеря полярности делящейся клетки, значительное увеличение вязкости цитоплазмы. Воз­можны и другие причины, связанные с изменением общего фи­зиологического состояния клетки.

212

Изменение числа хромосом может происходить за счет уве­личения или уменьшения числа целых гаплоидных наборов или отдельных хромосом. Организмы, у которых произошло умно­жение целых гаплоидных наборов, называют полиплоидами. Ор­ганизмы, у которых число хромосом не является кратным гапло­идному, называют анеуплоидами или гетероплоидами.

Изменения числа хромосом в клетках организма сопровож­даются изменением его признаков и свойств, а потому назы­ваются геномными мутациями.

Полиплоидия. Полиплоидия — это геномная мутация, состоя­щая в увеличении числа хромосом, кратном гаплоидному. Клетки с разным числом гаплоидных наборов хромосом называются: Зп — триплоидные, An — тетраплоидные, Ъп — пентаплоидные и т. д. Организмы, развившиеся из полиплоидных клеток, будут называться соответственно триплоидами, тетраплоидами, пен- таплоидами и т. д.

Если диплоидная соматическая клетка содержала три пары хромосом: 2п = ЗХ2 = 6 (I, I; II, II; III, III), то после удвоения она будет содержать двойной комплекс хромосом: 4я = ЗХ4=12 (I, I, I, I; II, II, II, II; III, III, III, III). В этом случае происхо­дит умножение числа каждой из хромосом. Тетраплоид, воз­никший из гомозиготного организма, также будет гомозигот­ным. Если же умножение наборов происходит у гибридного организма, который в гомологичных хромосомах несет разные аллели одних и тех же генов, тогда и образовавшийся тетра­плоид будет гетерозиготным по этим генам.

В случае полиплоидизации соматических клеток клетки будут полиплоидными только в той части организма, которая разовь­ется из исходной полиплоидной клетки, и организм окажется химерным. Если полиплоидизация происходит при первом деле­нии зиготы, то все клетки зародыша оказываются полиплоид­ными. Отсутствие расхождения всех хромосом в мейозе приво­дит к образованию гамет с нередуцированным числом хромосом, такие гаметы будут иметь не по одному набору хромосом, а по два. При участии в оплодотворении гамет с нередуцированным набором хромосом могут появиться полиплоидные организмы.

Полиплоидия приводит к изменению признаков организма, а потому является важным источником изменчивости в эволюции и селекции, особенно у растений. На фотографии растений дипло­идной и тетраплоидной ржи селекции В. С. Федорова это хо­рошо видно (рис. 94). Тетраплоидная форма имеет более мощ­ную соломину, колос и более крупное зерно, что делает ее хо­зяйственно более выгодной.

Первые экспериментально полученные полиплоиды томатов и паслена были описаны Г. Винклером еще в 1916 г. В настоя­щее время известно, что более Уз всех видов покрытосеменных растений являются полиплоидами. Достаточно обратиться

213

к анализу числа хромосом различных видов пшениц, чтобы стала очевидной роль полиплоидии в их происхождении.

Род пшеница (Triticum) состоит из нескольких видов, кото­рые разделяются на три группы как по числу хромосом, так и по свойствам и признакам растений. К первой группе относятся, например, однозернянки (Т. monococcum), имеющие в сомати­ческих клетках диплоидное число хромосом, равное 14. Ко вто­рой группе относится твердая пшеница (Т. durum), имеющая 28 хромосом. В третью группу входит мягкая пшеница (Т. aesti-vum), которая имеет 42 хромосомы. Если основное число хро­мосом у пшениц я = 7, то однозернянки оказываются диплои-дами (7X2=14), твердые пшеницы — тетраплоидами (7X4 = = 28), а мягкие — гексаплоидами (7x6 = 42). Такой же ряд по­липлоидов известен внутри рода овса (Avena) и многих других растений.

Группа родственных видов, у которых наборы хромосом со­ставляют ряд с возрастающим числом хромосом, кратным ос­новному, называется полиплоидным рядом. Полиплоидный ряд может быть двучленным и многочленным.

Автополиплоидия. Полиплоиды, возникающие на ос­нове умножения геномов одного вида, называют автополиплои­дами. Если обозначить основное число хромосом (геном) бук­вой А, то А будет соответствовать гаплоиду, АА — автоди-плоиду, AAA — автотриплоиду, АААА — автотетраплоиду и т. д.

Автополиплоиды в естественных условиях возникают у ор­ганизмов с любым способом размножения. Особенно ценны ав­тополиплоиды у форм, размножающихся апомиктически и ве­гетативным путем, так как они могут сохраняться и раз­множаться в относительно неизменном виде длительное время. При половом размножении автополиплоиды дают наследст­венно разнообразные формы, если исходная форма была гетеро­зиготной.

Мейоз у автополиплоидов отличается от мейоза диплоидов. Так, например, у тетраплоида в профазе образуются не только биваленты, но и триваленты, и квадриваленты (поскольку мо­гут конъюгировать между собой все гомологичные хромосомы), и униваленты. При более высокой плоидности возможность конъюгации всех гомологичных хромосом приводит к образова­нию поливалентов, или мультивалентов.

Известно, что если одна из пар хромосом диплоидного орга­низма гетерозиготна по какому-либо гену (Аа), то в результате мейоза образуются два сорта гамет 1А : 1 а. В редукционном делении автотетраплоида ААаа, возникшего из гетерозиготного диплоида, расхождение гомологичных хромосом к полюсам воз­можно в следующих отношениях: 2:2, 3:1, 1:3, 4:0, 0:4. Га­меты с тремя, одной и без хромосом данной пары, а именно ААа и а, Ааа и Л, а также О, являются неполноценными. Это

215

приводит к образованию нежизнеспособных зигот, т. е. снижает фертильность полиплоидов.

Но если даже у гетерозиготного автотетраплоида ААаа рас­хождение хромосом к полюсам будет проходить регулярно 2 :2, расщепление у тетраплоидов все же будет отличным от моно­гибридного расщепления у диплоида. Автотетраплоид, гетеро­зиготный по данной аллели ААаа, образует три типа гамет в отношении \АА :4Аа: \аа\ в F₂ расщепление по фенотипу окажется 35: 1, т. е. будет значительно отличаться от такового у диплоида (3:1) (табл. 10). Расщепление 35:1 неоднократно подтверждалось в опытах с автотетраплоидными растениями, в частности впервые оно было получено в опытах с дурманом (Datura) при изучении наследования пурпурной и белой окра­сок цветка. Существенно, что из 36 гибридов F₂ 34 являются гетерозиготами, в то время как у диплоидов гетерозигот лишь '/г- У гексаплоида в F₂ расщепление будет 399 : 1.

Таблица 10

Моногибридное расщепление в F-₂ у автотетраплоида

 

^\ с? 9 \^	1АА	4 Аа	1 аа
1 АА 4 Аа 1 аа	1 АААА 4 АААа 1 ААаа	4 АААа 16 ААаа 4 Аааа	1 ААаа 4 Аааа 1 аааа

При моногибридном расщеплении вероятность появления гомозиготных рецессивных форм у автотетраплоида и автогекса-плоида во много раз меньше, чем у диплоида, по однозначно действующим генам при полимерии гомозиготные формы полу­чить еще более трудно. Из этого следует, что полиплоидия под­держивает гетерозиготность в большей мере, чем диплоидия.

Изучение генетики автополиплоидов представляет особый интерес, так как у них соотношение рецессивных и доминант­ных аллелей сохраняется таким же, как у исходных диплоидов, а признаки изменяются. Это позволяет изучать влияние плоид-ности на проявление признаков.

На первых порах изучения полиплоидии сложилось пред­ставление, что полиплоидия у растений обязательно сопровож­дается увеличением размеров растений и его отдельных органов. Однако гигантизм проявляется далеко не у всех полиплоидов, хотя диплоиды по сравнению с гаплоидами всегда несколько крупнее. Полиплоиды, возникшие из гибридных растений, полу­ченных от скрещивания разных линий, чаще проявляют гиган-

216

тизм, чем полиплоиды внутри одной линии. Это указывает на то, что гигантизм зависит не только от плоидности, но и от ге­нотипа полиплоидного организма.

Наиболее общим свойством полиплоидов является увеличе­ние размеров клеток. С увеличением объема клеток часто свя­зано изменение ряда их физиологических и биохимических свойств: увеличение количества воды, уменьшение осмотического давления, изменение содержания различных веществ — белков, хлорофилла, клетчатки, ауксина, ряда витаминов и др. Послед­нее может вызвать вторичные явления, например изменить ус­тойчивость полиплоидов к колебаниям внешних факторов, забо­леваниям и т. д. Более высокие адаптационные свойства поли­плоидов, несомненно, определяются также их наследственной обогащенностыо — более высокой гетерозиготностью.

Интересно отметить, что «живые ископаемые» растения — представители древних растительных групп — оказываются часто полиплоидными по отношению к их родственникам зна­чительно менее древнего происхождения.

Аллополиплоидия. Полиплоиды, возникающие на ос­нове умножения геномов разных видов, называются аллополи-плоидами или амфшглоидами. Аллополиплоиды образуются на основе скрещиваний различных видов. Так, например, если у межвидового гибрида совмещаются геномы Л и В, то получен­ный от него аллотетраплоид (амфидиплоид) будет ААВВ. Алло-полиплоидию иначе называют гибридной полиплоидией. Она имеет большое практическое значение.

Часто отдаленные гибриды оказываются бесплодными (на­пример, гибриды ржи с пшеницей, редьки с капустой и др.). Рассмотрим одну из причин этого явления. Допустим, совмеща­ются геномы редьки R и капусты В, тогда редечно-капустный гибрид будет нести два разных генома — R и В. Редька привно­сит в зиготу гибрида геном R, состоящий из 9 хромосом, капу­ста— геном В, также представленный 9 хромосомами. Такой отдаленный гибрид в Fi имеет в соматических клетках общее число хромосом 18. В процессе образования половых клеток в профазе мейоза должна происходить конъюгация гомологич­ных хромосом. Но так как хромосомы редьки не имеют гомо­логов среди хромосом капусты, то у этого гибрида каждая из них ведет себя в мейозе самостоятельно, как унивалент. В клетках указанного гибрида в мейозе можно насчитать 18 уни-валентов. В анафазе I они будут беспорядочно распределяться к полюсам, и в силу этого образуются гаметы с различным чис­лом хромосом — от 0 до 18, большинство их оказываются несба­лансированными, т. е. число хромосом в них не кратно основному, а потому и нежизнеспособными.

Однако у такого гибрида некоторая часть как женских, так и мужских гамет будет нести 18 хромосом: 9/?+ 96. Эти гаметы

217

называются нередуцированными. При объединении в процессе оплодотворения нередуцированных гамет образуется зи­гота с удвоенным набором хромосом обоих видов — аллотетраплоид, или ам-фидиплоид. Он имеет два набора хромо­сом редьки (9R + 9R) и два набора ка­пусты (9В + 9В), т. е. всего 36 и оказы­вается фертильным, так как в мейозе у него каждая хромосома имеет партнера, с которым и конъюгирует.

18R+18B

18В

Плоды и хромосомные наборы редьки, капусты и их гибридов: / — редька; 2 — капуста; 3 — диплоидный гибрид; 4 — ам-фидиплоид; R — редечные и В — капустные хромосомы.

Получение амфидиплоидов открыло возможности синтеза новых константных форм путем гибридизации и удвоения у гибридов числа хромосом, так как для них характерно константнопромежуточ-ное наследование признаков без выщеп-ления исходных форм. Г. Д. Карпеченко в начале 20-х годов впервые получил межродовой плодовитый гибрид от скре­щивания редьки (Raphanus sativus) с капустой (Brassica oleracea).

Такой гибрид был очень мощным и совмещал признаки редьки и капусты. Плодовитым и константным он оставался и в последующих поколениях. Эта но­вая форма, синтезированная на основе сочетания геномов двух родов, была на­звана рафанобрассикой (Raphanobrassica) или редечно-капу-стным гибридом.

На рисунке 95 представлены плод и хромосомный набор ра-фанобрассики (4). У этой формы стручок оказывается комбини­рованным: верхняя часть от редьки (рис. 95, /), а основание стручка типа капусты (рис. 95, 2). Диплоидная форма этого гибрида бесплодна (рис. 95, 3).

Аллополиплоиды, не существовавшие в природе, были по­лучены также при скрещивании двух видов табака: Nicotiana tabacum (2 п = 48) и N. glutinosa (2n = 24) — М. Ф. Терновским. А. Р. Жебрак при скрещивании двух видов пшениц Triticum aestivum (2и = 42) с Т. timopheevi (2/г=28) и Т. durum (2/г = = 28) с Т. aestivum (2« = 42) получил 70-хромосомные пшеницы, которые тоже не существуют в природе.

Из рассмотренных примеров видно, что путем сочетания разных геномов и полиплоидизации можно синтезировать новые формы, которые не существуют в природе. Создание таких новых форм называют синтезом видов. После отбора в ряду поколений они становятся вполне константными и могут считаться само-

етбятельньшй таксономическими единицами. Установлено, что пшеницы, новосветский длинноволокнистый хлопчатник, неко­торые ягодные и плодовые культуры и ряд других сельскохозяй­ственных растений произошли именно таким путем.

Prunus dimricata

Prunus spinosa

Наряду с созданием новых форм в генетике осуществлен ресинтез видов, т. е. искусственное восстановление уже сущест­вующих видов на основе отдаленной гибридизации. Так, в опытах В. А. Рыбина ресинтезирована культурная слива (Prunus dome-stica). Рыбин скрестил терн P. spinosa (2 я = 32) с алычой Р. divaricata (2«=16). Среди гибридов оказалось одно растение, которое име­ло, как и P. domestica, 2«=48 хромо­сом (рис. 96) и было очень сходно с домашней сливой. Это была кон­стантная и плодовитая форма.

Конечно, ресинтезированные виды не будут точной копией естественных видов, так как последние прошли дли­тельную эволюцию в течение несколь­ких сотен и тысяч поколений. Но идя этим путем, генетик может не только изучить происхождение видов, но и получить возможность синтезировать новые виды, полезные человеку.

Р domestica

96. Схема ресинтеза домашней сливы (Prunus domestica)

Из сказанного о полиплоидах сле­дует, что плодовитость последних оп­ределяется характером конъюгации гомологичных хромосом в мейозе. Од­нако хромосомы находятся в тесной и сложной связи с цитоплазмой. Клет­ки функционируют как единая си­стема, и поэтому различия в плодовитости полиплоидов могут определяться иногда совместимостью или несовместимостью геномов с цитоплазмой.

Роль цитоплазмы в гаметогенезе у аллополиплоидов можно показать на примере рафанобрассики, у которой равное коли­чество редечных и капустных хромосом (18 R и 18 В). Цито­плазма этой формы принадлежитредьке, так как гибрид получен от опыления пыльцой капусты цветка редьки. Для выяснения роли цитоплазмы Г. Д. Карпеченко произвел обратные скре­щивания с обеими родительскими формами. У гибридов F_a была одна и та же «редечная» цитоплазма, соотношение же хромосом менялось. В первом скрещивании аллотриплоид рафанобрасси-каХ редька имел в мейозе 9 бивалентов из редечных хромосом и 9 унивалентов хромосом капусты (9R + 9R + 9B). Во втором скрещивании рафанобрассика X капуста было обратное соот­ношение хромосом (9B + 9B + 9R), но и в том и в другом случае

 

218

219

образовывалось 9 бивалентов и 9 унивалентов. Следовательно, можно было ожидать, что оба триплоида должны иметь одина­ковый ход мейоза и одинаковую плодовитость. Оказалось, что действительно мейоз внешне протекает сходно у гибридов обоих типов, но во втором случае гаметы полностью гибнут, а в пер­вом— нет (рис. 97). Причина этого в том, что в первом случае для 9 редечных бивалентов редечная цитоплазма своя, а во вто­ром — для 9 капустных бивалентов она чужая.

97. Схема, иллюстрирующая влияние совместимости ци­топлазмы (Raphanus) и ге­номов (Raphanus и Bras-sica) на фертильность алло-триплоида Raphanobrassica: / — частично плодовитый гибрид; 2 — стерильный гибрид; Я — ре­дечные геномы н цитоплазма (белый цвет), В — капустные ге­номы (черный цвет). Гаметы с несоответствующим плазме на­бором хромосом гибнут (зачер­кнуты) .

Таким образом аллополиплоиды с одинаковой цитоплазмой, но с раз­личными наборами хромосом отлича­ются по плодовитости, так как цито­плазма в гаметогенезе у аллополи-плоидов играет существенную роль. Проблема совместимости и несов­местимости геномов и цитоплазмы ос­тается еще не решенной, хотя и очень важной для понимания взаимосвязи ядра и цитоплазмы, а также роли ал-лополиплоидии в эволюции растений и животных. Полиплоиды возникают спонтанно в природе. Для искусственного получения полиплои­дов используют изменение температуры, ионизирующие излу­чения, механические воздействия (декапитация, пасынкование и др.), химические вещества —• колхицин, аценафтен и др.

Наиболее широко для получения полиплоидов используется алкалоид колхицин, добываемый из растения безвременник (Colchicum caucasicum). Для получения полиплоидов с помощью колхицина так же, как и других химических агентов, применя­ются различные методики, в зависимости от вида растения и фазы его развития.

Влияние колхицина на митоз настолько специфично, что в литературе утвердился специальный термин — К-митоз. Кол-

220

хицйн вызывает эндоМитоз, Парализуя механизм расхождения хромосом к полюсам, но не препятствуя их репродукции; генных мутаций и хромосомных перестроек при этом, как правило, не возникает.

Как видно из предыдущего, полиплоидия широко представ­лена у растений. Это связано с тем, что у них весьма широко распространены гермафродитизм (самоопыление), апомиксис (партеногенез) и вегетативное размножение. Очевидно сущест­вуют и другие причины, способствующие полиплоидии у растений.

Полиплоидия у животных. Установлено, что у раз­дельнополых животных полиплоидия встречается крайне редко. Особенно большие препятствия для сохранения полиплоидных клеток и их воспроизведения в поколениях возникают у таких раздельнополых организмов, которые имеют гетерогаметный и гомогаметный пол. У тех животных, у которых половое размно­жение заменено партеногенезом, полиплоидия может осущест­вляться почти так же, как у растений.

Примером полиплоидных рядов у животных могут являться таковые у аскариды, земляных червей, амфибий, бабочек и некоторых других. Установлено, что в семействе земляных чер­вей (Lumbricidae) имеются полиплоидные ряды с разными основными числами: 11, 16, 17, 18 и 19 хромосом, в некоторых из рядов найдены даже декаплоиды. Полиплоидные земляные черви оказываются более крупными, чем ближайшие родствен­ные им диплоидные виды. Более известны у животных двучлен­ные полиплоидные ряды, т. е. диплоиды (2 п) и тетраплоиды (4 п) или 2 п и 3 п. Такие ряды обнаружены у некоторых насекомых, амфибий, ящериц.

В настоящее время получены автополиплоидные особи у туто­вого шелкопряда, тритона, аксолотля, зиготы — даже у млеко­питающих (мышь, кролик). У автотетраплоидов шелковичного червя (Bombyx mori) самки плодовиты, а самцы стерильны. Причиной этого является то, что у самцов (гомогаметный пол) в профазе мейоза образуются поливаленты, в силу чего возни­кают нежизнеспособные гаметы с анеуплоидным числом хромо­сом. У самок (гетерогаметный пол) конъюгация хромосом огра­ничена, поливаленты не образуются, а формирующиеся гаметы жизнеспособны.

Одна из причин редкой встречаемости полиплоидов у раз­дельнополых животных — их бесплодие.

У млекопитающих обнаружены триплоидные зиготы. Однако триплоидные эмбрионы у мышей доживают только до середины эмбрионального развития. Случаи триплоидии и тетраплоидии обнаружены при анализе материала спонтанных абортов у че­ловека.

Искусственное получение аллополиплоидов у животных до недавнего времени считалось неразрешимой проблемой. Однако

221

совсем недавно Б. Л. Астаурову с сотрудниками удалось создать первый аллополиплоид от межвидового гибрида шелкопрядов Bombyx morixB. mandarina. При синтезировании аллотетрапло-ида использовался метод искусственного партеногенеза. Вначале были получены партеногенетические автополиплоиды В. mori — 2ft, 3n, An. Все эти особи оказались женского пола и были пло­довиты. Затем произвели скрещивание тетраплоидных самок В. mori (An) с диплоидными самцами другого вида — В. man­darina (2/г). У обоих этих видов /г = 28 хромосомам. В потомстве от такого скрещивания появлялись аллотриплоидные самки 2 п В. mori+1/г В. mandarina. Эти самки, стерильные в обыч­ных условиях, размножались путем партеногенеза. При этом иногда возникали аллогексаплоидные самки An В. mori + 2ft В. mandarina. В потомстве от скрещивания этих самок с дип­лоидными самцами В. mandarina (2ft) были отобраны формы обоего пола с удвоенным набором хромосом каждого вида 2ft В. mori + 2/г В. mandarina — аллотетраплоиды, или амфидипло-иды. К настоящему времени воспроизведено уже шесть поколе­ний таких аллотетраплоидов.

В мире животных полиплоидия довольно широко распростра­нена в соматических клетках ряда тканей, т. е. в тех случаях, когда клетки размножаются митотическим путем без мейоза.

В настоящее время большинство генетиков придерживается той точки зрения, что в эволюции животных основную роль иг­рала не полиплоидия, а межхромосомные и внутрихромосомные перестройки. Однако пути эволюции организмов разнообразны, и выработанные ею механизмы приурочены к конкретной эволю­ции каждого класса, отряда, рода и вида.

Анеуплоидия. Анеуплоидия (или гетероплоидия) —это геном­ная мутация, состоящая в изменении числа хромосом, некратном гаплоидному.

Впервые это явление было обнаружено К. Бриджесом чисто генетическими методами при изучении у дрозофилы наследова­ния признаков, сцепленных с полом. В главе 8 приводились примеры наследования признаков при нерасхождении половых хромосом у самки дрозофилы. Эти генетические опыты были затем подтверждены цитологически. Действительно, в соматиче­ских клетках самок ХХУ была обнаружена лишняя У-хромо-сома, у самцов ХО недоставало У-хромосомы.

Возникновение клеток с измененным числом отдельных хро­мосом объясняется тем, что при делении клетки происходят нарушения в расхождении некоторых пар хромосом. Эти нару­шения возможны в соматических и в половых клетках. Но наибо­лее вероятно нерасхождение гомологичных хромосом в мейозе, когда происходит конъюгация хромосом и образование бивален­тов. Бивалент целиком может отойти в одну клетку, и тогда в другой клетке эта пара гомологичных хромосом отсутствует.

222

Постоянно анеуплоидные гаметы появляются у таких форм с нарушенной конъюгацией гомологичных хромосом, как неко­торые полиплоиды и отдаленные гибриды, о чем уже шла речь.

Если гамета, имеющая дополнительную хромосому (я+1), сочетается с нормальной, гаплоидной (/г), то зигота оказывается с одной лишней хромосомой; число хромосом у нее будет равно 2я+1. При сочетании гаметы, утратившей одну хромосому, с нормальной, т. е. гаплоидной, гаметой образуется зигота с не­полным диплоидным числом, с нехваткой одной хромосомы 2п—1.

Организм с набором хромосом 2ft+1 называется трисомиком, 2/г — 1 — моносомиком, а 2/г — 2 — нулисомиком. В некоторых редких случаях одна и та же пара хромосом может иметь допол­нительно не одну хромосому, а две (2/г+ 2)—тетрасомик, три (2/г + З) — пентасомик и т. д.

Уменьшение или увеличение числа может наблюдаться по любой паре хромосом, а поэтому возможна одновременная ане­уплоидия по нескольким парам негомологичных хромосом. Если добавление по одной хромосоме имеет место одновременно в двух парах хромосом, то соответственно пишут: 2ft + l + l, в трех — 2ft +1 + 1 + 1 и т. д.

Анеуплоидия не только приводит к изменению характера наследования признаков, но вызывает определенное изменение в фенотипе. На дрозофиле впервые были обнаружены орга­низмы с недостачей одной из аутосом (моносомики 2/г— 1), у ко­торых IV маленькая хромосома присутствует в единственном числе. Рецессивные гены этой хромосомы в результате отсутст­вия соответствующих доминантных аллелей проявились в дип­лоидном гибридном организме. Отсутствие этой хромосомы ска­залось также в уменьшении размеров мухи, снижении ее плодо­витости, изменении ряда морфологических признаков: крыльев, щетинок, глаз и др. Прибавка IV хромосомы (трисомия) также вызывает изменение ряда признаков.

Если потеря одной маленькой IV хромосомы не приводит к гибели мухи, то недостача одной из крупных хромосом II или III пары детальна. Это указывает на генетическую неравноцен­ность отдельных хромосом.

Влияние анеуплоидии на признаки организма наиболее ярко было показано на дурмане, имеющем 2/г = 24. Установлено, что прибавка по одной хромосоме к каждой из 12 пар вызывает изменение определенных признаков растения, например умень­шение размера коробочки, изменение ее строения и т. д. Влияние трисомии по отдельным парам хромосом на выражение призна­ков у шпината Spinacia oleracea видно на рисунке 98.

Анеуплоиды описаны у пшеницы, кукурузы, табака, хлоп­чатника, мыши, кошки, крупного рогатого скота и у многих других. Известны анеуплоиды и у человека. Как правило, они менее жизнеспособны, имеют меньшую продолжительность

§23

98.

Диплоидное и анеуплоидные растения шпината: в цен­тре — диплоид, вокруг — трисомики по различным хромосомам (указаны их но­мера) .

жизни, менее плодовиты, чем диплои-ды, и часто отличаются от последних морфологическими признаками. Из­вестно, что анеуплоидия у растений менее сказывается на жизнеспособно-, сти, чем у животных.

У анеуплоидов образуются как
и aHevnттипиив п.       нормальные, гаплоидные гаметы, так

мает vuar™ In ^Р" ^ЭТ°^{М У} Р^{астений в} оплодотворении прини-ром хромосом я ,°_я ^{ПЫЛЬЦЗ С н}°Р^мальным, гаплоидным набо­ром хромосом, а зародышевые мешки функционируют нечя висимо от числа хромосом, поэтому характер расщепления

плоид⁰о^Мв^СТНяпп^еуПЛ°^{ИДОВ РеЗК}° ^{отличае}™ отрасще'пления у _Ди-плоидов. Например, если растение клевера - трисомик по хоо мосоме, несущей ген красной (А) или белой (а) окраски цве?-

Z^nTnT^J^ ^{В СЛуЧЗе} -моопьшен1я^⁰о^Кл^Р_у^ачитс_Я^Цр^Ва^е -щепление 17. 1. Это объясняется тем, что функционирующая

нпм^^а_в°9^бра3уе,^{ТСЯ ДВУХ С}°^{РТ0В А и а}' ^но пыльцевых _зер^Ренс^Щге ном А в 2 раза больше, чем с а. Яйцеклетки образуются четырех

224

сортов (А, а, АА, Аа) в следующей пропорции: \АА : \а :2А : :2Аа. По решетке Пеннета легко получить соотношение 17 : 1. В настоящее время исследование анеуплоидии у растений приобретает важное значение в связи с выяснением роли каж­дой хромосомы в генотипе. В будущем это поможет экспери­ментальному синтезу определенных генотипов. Анеуплоидия играет огромную роль в эволюции генотипа и имеет большое значение для изучения происхождения культурных растений. Однако эти вопросы нуждаются в дальнейшей усиленной раз­работке.

5. ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ МУТАЦИИ

Понятие о цитоплазматических мутациях. Изменения плаз-могенов, приводящие к изменению признаков и свойств орга­низма, называются цитоплазматическими, или плазменными мутациями. Изучение цитоплазматических мутаций осложнено трудностями их точной локализации, Как уже было отмечено, в настоящее время плазмогены локализованы только в пласти­дах и митохондриях, в остальных же органоидах наличие их не доказано. С другой стороны, есть плазмогены, локализовать которые вообще не удалось, например ЦМС у кукурузы и не­которые другие (см. гл. 10).

Цитоплазматические мутации имеют сходство с генными: они стабильны и передаются из поколения в поколение. Однако обнаружение их затруднено, так как одноименные цитоплазма­тические структуры встречаются в клетке в большом количе­стве. Для того чтобы рецессивная мутация проявилась в фено­типе, необходимо, чтобы все соответствующие цитоплазматиче­ские структуры в клетке были мутантными. Скорость разделения мутантных и немутантных структур в митозе зависит от общего числа этих структур в клетке.

Природа цитоплазматических мутаций. Природа цитоплазма­тических мутаций может быть различной. Известны два типа изменений. К первому типу относится утрата структур. Приме­ром могут служить мутантные штаммы эвглены (Euglena mesnili), которые при длительном культивировании в темноте утрачивают пластиды (пластидная мутация). Утрата пластид является необратимой и приводит к изменению ряда свойств этих жгутиковых. Ко второму типу относятся мутанты, у кото­рых цитоплазматические структуры функционально или морфо­логически изменены. Примером могут быть «дыхательные» му­тации у дрожжей и нейроспоры (см. гл. 10). На электронных микрофотографиях мутантных и нормальных клеток видно, что митохондрии их по морфологии не отличаются друг от друга. Специальными исследованиями было показано, что митохондрии мутантных штаммов дрожжей не содержат цитохромоксидазы.

225

Изменения плазмогенов, очевидно, могут быть связаны с изме­нениями структуры ДНК митохондрий, но о них пока ничего не известно.

Мутантные плазмогены могут быть рецессивными или доми­нантными. Рецессивные плазмогены сохраняются и воспроизво­дятся в клетке, хотя их проявление и подавляется доминант­ными.

Цитоплазматические мутации, определяющие фенотип плас­тид, возникают спонтанно у всех зеленых растений. Частота возникновения их очень невелика. Так, у энотеры около 0,02% растений содержат отдельные клетки или участки тканей, кото­рые имеют мутантные желтые или белые пластиды, т. е. лишены нормальной зеленой окраски. Правда, есть растения (свекла, капуста и др.), которые имеют более высокую частоту подобных мутаций, а именно от 0,1 до 0,5%. Частота появления обратных цитоплазматических мутаций детально не изучена. Но сам факт обратного мутирования (возникновения нормальных пластид из аномальных) можно считать установленным.

Частота мутаций плазмогенов у растений резко увеличи­вается при облучении семян рентгеновскими лучами или при действии радиоактивных изотопов (например, S³⁵ или Р³²). Индуцировать мутации плазмогенов можно с помощью ультра­фиолетовых лучей, высоких и низких температур и других воз­действий.

Особенности плазмогенов. Некоторые химические вещества способны вызывать цитоплазматические мутации в большом числе обрабатываемых клеток. В этом отношении плазмогены коренным образом отличаются от хромосомных генов, у кото­рых мутации при действии этих же агентов возникают с часто­той Ю^-6 и реже.

К числу химических веществ, действующих на плазмогены, относятся акридиновые красители. Так, эуфлавин вызывает появление карликовых мутаций в большом числе обработанных дрожжевых клеток.

В некоторых очень редких случаях мутации, возникающие в ответ на изменения внешней среды, являются до некоторой степени адаптивными, по крайней мере при тех условиях, кото­рые вызвали их появление. Так, наряду с другими мутациями стрептомицин способствует появлению среди чувствительных клеток хламидомонад (Chlamydomonas reinhardi) устойчи­вых— способных жить на среде со стрептомицином.

Способность плазмогенов к реверсии и к дальнейшим изме­нениям создает возможность адаптации организмов и при после­дующем изменении условий внешней среды. Таким образом на­личие цитоплазматических мутаций еще больше обогащает гено­фонд вида и служит дополнительным резервом изменчивости в эволюции,

6. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ УЧЕТА МУТАЦИЙ

Особенности методов учета мутаций. Методы обнаружения мутаций должны быть разными в зависимости от особенностей объекта — главным образом способа размножения организма. Характер проявления мутации также определяет метод ее обна­ружения. Некоторые видимые морфологические изменения мож­но учитывать довольно точно; несколько более сложным явля­ется определение физиологических и биохимических изменений у многоклеточных организмов. Легче всего обнаруживаются ви­димые доминантные мутации, которые могут проявляться в ге­терозиготном состоянии в первом же поколении, труднее анали­зировать рецессивные мутации, их необходимо переводить в го­мозиготное состояние. Для выявления последних требуется специальный генетический анализ в ряду поколений.

Для хорошо изученных в генетическом отношении объектов (дрозофила, кукуруза, ряд микроорганизмов) с установленными группами сцепления изучение новой мутации проводить довольно легко. Для этих объектов разработаны специальные методики учета частоты мутаций.

Учет видимых мутаций у дрозофилы. Для обнаружения ви­димых мутаций в половой хромосоме у дрозофилы используется методика сцепленных Z-хромосом — уу (см. гл. 8). При данной схеме скрещивания можно обнаружить видимые рецессивные, сцепленные с полом мутации, возникшие в половых клетках отцовского организма, по проявлению их у самцов в F_h

Учет рецессивных, сцепленных с полом летальных мутаций у дрозофилы. Наиболее объективно можно учитывать рецессив­ные летальные мутации, приводящие в гомозиготном состоянии к смерти несущих их особей. Для учета мутаций в половой хро­мосоме самца дрозофилы Г. Мёллером была разработана мето­дика С1В (си-эль-би), схема которой приведена на рисунке 99.

Генетическая структура линии С1В состоит в том, что одна из Z-хромосом самки маркирована доминантным геном Ваг (полосковидные глаза). В этой же хромосоме имеется инверсия, обозначаемая буквой С. Эта инверсия препятствует кроссинго-веру и обладает рецессивным летальным эффектом /, т. е. зиготы, несущие две такие Х-хромосомы, погибают. Этими тремя на­чальными буквами (С1В) и обозначена линия — анализатор летальных мутаций в половых хромосомах самца дрозофилы. Другая Х-хромосома самки несет гены дикого типа. Отсутствие кроссинговера у гетерозиготных особей необходимо для того, чтобы деталь сохранялась в той же хромосоме.

При отсутствии летальной мутации в Х-хромосоме исход­ного самца из поколения в поколение поддерживается соотно­шение полов 2 9 :1 сГ за счет гибели самцов, получивших хромосому С1В (с летаЛью) от матери. Благодаря этому самцы

 

226

227

Гаметы CLB

Га меть/ Р

CLB

F,

шъ

%оу

CLB

\-±------------------- 1

*

«fcli^tylL qlgj

Q9,                                 всегда имеют круглые глаза. В слу-

Метод обнаружения рецес­сивных сцепленных с полом летальных мутаций у дро­зофилы (метод С1В): 1 — результаты скрещивания в случае отсутствия летальной му­тации в j-хромосоме спермы самца; 2 — то же в случае ее наличия; С —инверсия; I — ле-таль; В — полосковидиые глаза.

чае если в одном из спермиев анали­зируемого самца в Х-хромосоме воз­никает летальная мутация, то при оплодотворении таким спермием яй­цеклетки с Х-хромосомой С1В (если эти летали неидентичны) развивает­ся гетерозиготная по двум деталям самка, имеющая полосковидиые глаза. Если такой спермий оплодотворит яйцеклетку с Х-хромосомой дикого типа, то развивается гетеро­зиготная по летали самка дикого типа. На рисунке 99 видно, что в Fi будут встречаться самки двух типов: с нормальными (круг­лыми) и с полосковидными глазами (Ваг). Самцы, несущие хромосому С1В, гибнут, так как у них деталь находится в геми-зиготном состоянии. Поэтому самцы в F\ только одного типа — с нормальными глазами. Для дальнейшего анализа самок F\ с полосковидными глазами скрещивают индивидуально с нор­мальными самцами (каждая пара в отдельной пробирке).

Если самка Fi получила Х-хромосому анализируемого самца с летальной мутацией и, следовательно, стала гетерозиготной по двум деталям в обеих Х-хромосомах, то в потомстве F₂ такой

 

ZCyL ОСуЧ*

ZCyL I Cy+L

100. Метод обнаружения рецес­сивных летальных мутаций в аутосомах у дрозофилы (метод сбалансированных деталей Су L Рт): I — результаты скрещивания в случае отсутствия летали во II хромосоме спермы самца; 2 — то же в случае ее наличия; Су* — нормальные крылья; Су — загнутые крылья, летален в го­мозиготном состоянии; I — нор­мальные глаза; L — лопастные глаза, летален в гомозиготном состоянии; Рт* — красные глаза; Рт — коричневые глаза; для удобства в схеме обозначены только аллелн Су, L и Рт.

самки не появится самцов, так как все они погибнут. Отсутствие самцов в F₂ — показатель наличия мутации.

Учет рецессивных аутосомных ле­тальных мутаций у дрозофилы. Для учета летальных мутаций в аутосомах дрозофилы существует другая мето­дика, представленная на рисунке 100. Для проявления рецессивной леталь­ной мутации в аутосоме тоже необхо­димо, чтобы она оказалась в гомози­готном состоянии. В этом случае учет возникающих рецессивных летальных мутаций производится в Fs. Для этой цели у дрозофилы можно использовать специально созданную линию, позволяющую учитывать летальные мутации во второй паре аутосом. В этой линии одна из хромосом содержит две большие инверсии — по одной в каждом плече, с видимым

 

228

229

101. Схема генетического ана­лиза транслокаций: / — результаты скрещивания

доминантным эффектом: Су (загнутые крылья) й L (лопастные глаза), каждая из них в гомозиготном состоянии вызывает ле­тальный эффект; гомологичная хромосома также содержит ин­версию Рт (коричневые глаза). Этот метод обнаружения му­таций иногда называют метод CyL/Pm.

Испытываемого самца скрещивают с самкой из линии CyLIP_m.

Из F\ выбирают гетерозиготных самцов CyL, а не самок, по­скольку у самцов кроссинговер подавлен и возникшая деталь сохраняется в той же хромосоме. Каждого такого самца, несу­щего по одной анализируемой хромосоме и хромосоме CyL, индивидуально скрещивают с самкой исходной линии CyL/Pm. Во втором поколении половина мух (самцов и самок) в каж­дой культуре оказывается гетерозиготной по одной и той же анализируемой хромосоме, но половина из них имеет признаки CyL, а половина Рт. 'Д мух, гомозиготных по CyL, погибает, а-'Д мух, имеющих признаки CyL/Pm, не несет анализируемой хромосомы. Поэтому для дальнейшего анализа берут только самок и самцов с признаками CyL и скрещивают их между собой. В F₃ в случае отсутствия летальной мутации в анализи­руемой хромосоме происходит расщепление в отношении 2CyL:\Cy+L+, так как гомозиготные мухи CyL не выживают. Если в анализируемой хромосоме имеется деталь, то в культуре ^з будут мухи одного фенотипа — CyL, а нормальные по фено­типу будут погибать в силу гомозиготного состояния рецессив­ной летальной мутации.

Учет мутаций у других объектов. Аналогичные методы обна­ружения мутаций разработаны и для других объектов (мышь и др.). В основу их положены те же принципы: 1) обнаружить рецессивную мутацию можно, переведя ее в гомо- или гемизи-готное состояние, 2) учесть точно частоту возникающих мутаций можно лишь при условии отсутствия кроссинговера у гетерози­готных особей.

Методы обнаружения мутаций у микроорганизмов будут рас­смотрены в главе 15.

Для млекопитающих (мышь, кролик, собака, свинья и др.) наиболее удовлетворительно разработана методика учета час­тоты возникновения доминантных летальных мутаций. О частоте мутаций судят по разнице между числом желтых тел в яич­нике и развивающихся эмбрионов у вскрытой беременной самки.

Учет частоты возникновения мутаций у человека очень за­труднен, однако генеалогический анализ, т. е. анализ родослов­ных, позволяет устанавливать возникновение новых мутаций. Если в родословной супругов в течение нескольких поколений не встречался какой-то признак, а у одного из детей он появился и стал стойко передаваться следующим поколениям, то можно

230

 

1 ••/

/•■/•/ 1

говорить о возникновении мутации в гамете одного из этих супругов (подробнее см. гл. 29).

в норме; 2 — то же при на­личии транслокаций; dp — нормальные крылья: dp — укороченные крылья; е — серое тело; е — темное тело.

Учет хромосомных перестроек. Ле­тальные мутации, обнаруживаемые генетическими методами, по геноти-пической природе могут быть различ­ными. Сюда относятся как разного рода хромосомные перестройки, так и изменения отдельных генов.

Учет частоты хромосомных перестроек определенного типа можно проводить, используя цитологические методы. У дрозо­филы и других двукрылых насекомых анализируются гигант­ские хромосомы слюнных желез, у растений или в культуре тканей животных и человека можно анализировать хромосомы в метафазе и анафазе митоза и по наличию мостов и фрагмен­тов судить о наличии хромосомных перестроек.

Метод учета транслокаций, возникающих в половых клет­ках самца дрозофилы, изображен на рисунке 101. Если анализи­руется транслокация между II и III хромосомами, то для скре­щивания берется линия дрозофилы, маркированная любыми рецессивными генами в названных хромосомах. Например, одна

т

пара генов — укороченные крылья dp находится во II группе сцепления, а другая —темно-серое тело е— в III. С гомозигот­ной по этим генам самкой скрещивается самец дикого типа, половые клетки которого анализируются на наличие в них вза­имной транслокации между II и III парами хромосом. Из F\ берут самцов, гетерозиготных по указанным генам, и индивиду­ально скрещивают их с самками из линии с двумя парами ре­цессивных генов (анализирующее скрещивание). В том случае, когда в половых клетках анализируемого нормального самца нет реципрокной транслокации между II и III хромосомами, рас­щепление в потомстве соответствует нормальному отношению 1:1:1:1. В случае же, когда в одном из сперматозоидов нор­мального самца произошла транслокация, расщепление в потом­стве этого самца изменяется. Допустим, что в результате транс­локации к II хромосоме прикрепился большой фрагмент III хро­мосомы с локусом е+, а к III —малый немеченый фрагмент II хромосомы. Сочетание такой мужской гаметы с женской, не­сущей оба рецессивных гена dp и е, дает гетерозйготу по ука-

dp           e^

занной транслокации: ~, , — •

dp⁺e^

У самца этого типа образуется четыре сорта гамет. При скре­щивании его с самкой, гомозиготной по обоим рецессивным генам, дающей гаметы лишь одного сорта, в потомстве обнару­живается ненормальное расщепление. Так как зиготы, имеющие недостачу или излишек генного материала, не выживают, то особи с фенотипом dpe+ или dp+e в потомстве отсутствуют. Нарушение генного баланса приводит к тому, что в F_B появля­ются не четыре фенотипических класса, а только два, т. е. на­блюдается расщепление в отношении 1:1.

7. СПОНТАННЫЙ МУТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС И ЕГО ПРИЧИНЫ

Частота мутаций и их причины. Под термином «спонтанная мутационная изменчивость» обычно объединяются мутации, ко­торые возникают в естественных условиях без специального воздействия необычными агентами. Мутационный процесс харак­теризуется главным образом частотой возникновения мутаций. Определенная частота возникновения мутаций характерна для каждого вида животных, растений и микроорганизмов: одни виды обладают более высокой мутационной изменчивостью, чем другие.

В настоящее время еще нет исчерпывающих сведений об об­щей частоте возникновения мутаций за одно поколение. Это объясняется тем, что мутации чрезвычайно разнообразны как по фенотипическому проявлению,, так и по генетической обус­ловленности, а методы их учета несовершенны; лишь в отноще-

232

нйи мутабильности отдельных локусов можно Дать более или менее точную оценку. Как правило, одновременно мутирует лишь один из членов аллелыюй пары; одновременное мутиро­вание обоих членов маловероятно.

Установленные закономерности частоты спонтанного мути­рования сводятся к следующим положениям: различные гены в одном генотипе мутируют с разной частотой (имеются гены мутабильные и стабильные); сходные гены в разных генотипах мутируют с   различной частотой.

Эти два положения иллюстрируются таблицей 11. В ней сравнивается частота мутирования генов у разных видов живот­ных, растений и человека, а у кукурузы — частота мутирования одних и тех же генов в линиях, имеющих разные генотипы.

Таблица 11

Частота спонтанных мутаций разных генов у разных видов и сходных генов в различных генотипах (кукуруза)

 

Вид и линия	Прямая мутация	Частота иа 10 000 гамет
Кукуруза То же, колумбийская ли­ния То же, корнельская линия Дрозофила Человек	/ Wx-+wx \ Рг -> рг \ Ir ->ir \ Rr -*/ RT -+rr ( ct+ ->ct 1 У+ -+У Гемофилия Мышечная дистрофия Хоидродистрофия	0,001 0,11 1,06 6,20 18,20 1,50 0,29 0,32 0,08 1,40

Из таблицы 11 видно, что один и тот же ген R^r, определяю­щий антоциановую окраску, в двух линиях кукурузы мутирует к г^г по-разному: в одной — с частотой 6,2, а в другой—18,2 на 10 000 гамет. Установлено также, что частота возникновения летальных мутаций у разных линий дрозофилы различна.

Каждый ген мутирует относительно редко, но так как число генов в генотипе огромно, то суммарная частота мутирования всех генов оказывается довольно высокой. Для дрозофилы рас­чет показывает, что одна мутация происходит примерно на 100 гамет за одно поколение, для других организмов известна и более высокая частота; 1 мутация на 10—30 гамет.

С помощью селекции можно создать линии, которые будут иметь разную спонтанную мутабильность. В пользу этого гово­рит тот факт, что существуют особые гены— мутаторы, которые

233

влияют на скорость Мутирования Других генов. Гак, например, у кукурузы есть ген Dt, который влияет на мутабильность гена а. У растений с генотипом аа DtDt на фоне неокрашенных антоцианом .тканей появляются окрашенные участки (соматиче­ские мутации от а к Л), в то время как у растений aadtdt подоб­ное явление не встречается. Влияние генотипа на спонтанную мутабильность отдельного гена проявляется также при гибриди­зации. Имеются указания на то, что частота мутирования одного и того же локуса выше у гибридных организмов, чем у исходных форм.

Спонтанный мутационный процесс обусловлен также физио­логическим состоянием и биохимическими изменениями в клет­ках. Так, например, М. С. Навашин и Г. Штуббе показали, что в процессе старения семян при хранении в течение нескольких лет частота мутаций, особенно типа хромосомных перестроек, значительно увеличивается.

Одной из возможных причин спонтанного мутирования мо­жет быть накопление в генотипе мутаций, блокирующих биосин­тез тех или иных веществ, вследствие чего будет происходить чрезмерное накопление предшественников таких веществ, кото­рые могут обладать мутагенными свойствами.

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Изучение наследственной изменчивости у различных системати­ческих групп растений позволило Н. И. Вавилову сформулиро­вать закон гомологических рядов. Вот этот закон.

Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сход­ными рядами наследственной изменчивости с такой правильно­стью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно пред­видеть нахождение аналогичных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически в общей системе роды и виды, тем пол­нее сходство в рядах их изменчивости. Целые семейства расте­ний характеризуются определенным циклом изменчивости, про­ходящей через все роды и виды, их составляющие.

Закон гомологических рядов Вавилов выразил формулой:

Giia+b + c ...) G_t(a+b + c . . .) G₃(a+b + c . . .)

где Gi, G₂, G₃ обозначают виды и a, b, с... — различные варьи­рующие признаки, например окраску, форму стеблей, листьев, семян и др.

Иллюстрацией к закону может служить таблица 12, где пока­зана гомология наследственной изменчивости по некоторым приз­накам и свойствам в пределах семейства злаковых.

В настоящее время с полным основанием можно сказать, что у родственных видов, имеющих общее происхождение, возни-

234

кают и сходные мутации. Более того, даже у представителей разных классов животных мы встречаем параллелизм — гомолог гические ряды мутаций по морфологическим, физиологическим и особенно биохимическим признакам и свойствам. Так, напри­мер, у разных классов позвоночных встречаются сходные мута­ции: альбинизм и бесшерстность у млекопитающих, альбинизм и отсутствие перьев у птиц, отсутствие чешуи у рыб, коротконо-гость у крупного рогатого скота, овец, собак, птиц, насекомых и т. д. Гомологические ряды мутационной изменчивости биохи­мических признаков встречаются у простейших и микроорга­низмов.

Таблица 12

Общая схема сортовой (расовой) изменчивости видов семейства Gramineae

 

	Наследственно варьирующие			ее	Л				|уза		ГГЛ
	признаки растения		ожь	теш	чмен	вес	о и о о.	орго	о. >. X	а	ырей
			О.	С	t*	О	С	U	»	о.	С
Соцве-	Плеичатость	пленчатое	+	+	+	+	+	+	+	+	+
тие	зерна	голое	+	4-	+	+	-4-	+	+	+	+
	Остистость	остистое	+	+	+	+		+	+	+	+
		безостое	+	+	+	+	+	4-	+	+	+
Зерно	Окраска	белая	+	+	+	+	+	+	+	+	' +
		красная	+	+	+			4-	+	+	+
		зеленая (серо-зеле­ная)	+	+	+	+	+		+	+	+
		черная (темно-се­рая) фиолетовая	+	+	+			+	+	+
		(антоциановая)	+	+	+				+	+	+
	Форма	округлая	+	+	+	+	+	+	+	+
		удлиненная	+	+	+	+	+	+	+	+	+
	Консистенция	стекловидная	+	+	+	+	+	+	+	+	+
		мучнистая (крахмалистая)	+	+	+	+	+	+	+	+ _	+
Биологи-	Образ жизии	озимый	+	+	+	+				+
ческие		яровой	+	•4-	+	+	+	+	+	+
призна-	Скороспелость	поздняя	+	+	+	+	+	+	+	+	+
ки		ранняя	4-	.+	'+	+	+	+	+	+	+
	Холодостой-	низкая	+	+	+	+	+	+	+	+
	кость	высокая	+	+	■ 4-	+	+	+	+	4-	+
	Отзывчивость	»	+ ■	■+	+	+			+
	на удобрения	низкая	+	+	+	+			+

Примечание. Знаком плюс обозначены формы, обнаруженные Н. И. Вавиловым в 1935 г.

Исходя из закона гомологических рядов, следует принять, что если обнаруживается ряд спонтанных или индуцированных мутаций у одного вида животного или растения, то можно ожидать сходный ряд мутаций и у других видов этого рода. То же относится и. к более высоким систематическим катего­риям.

Наиболее вероятное объяснение происхождения гомологиче­ских рядов наследственной изменчивости сводится к следую­щему. Родственные виды внутри одного рода, роды внутри

235

одного отряда или семейства могли возникнуть посредством отбора различных полезных мутаций отдельных общих генов, отбора форм с различными полезными хромосомными перестрой­ками. В этом случае родственные виды, разошедшиеся в эволю­ции за счет отбора разных хромосомных перестроек, могли нести гомологичные гены, как исходные, так и мутантные. Виды могли возникать также путем отбора спонтанных полиплоидов, содержащих однородные наборы хромосом.

Дивергенция видов, идущая на основе этих трех типов на­следственной изменчивости, обеспечивает общность генетиче­ского материала у родственных систематических групп. В дейст­вительности дело обстоит сложнее, чем нам это сейчас представ­ляется. Однако эта проблема уже сейчас должна заставить исследователей искать не столько частные различия, характери­зующие дивергенцию видов, сколько их общие черты, в основе которых лежат аналогичные генетические механизмы.

8. ИНДУЦИРОВАННЫЙ МУТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС И ЕГО ЗАКОНОМЕРНОСТИ

Факторы, индуцирующие мутации. Под индуцированным му­тационным процессом понимают возникновение наследственных изменений под влиянием специального воздействия факторов внешней и внутренней среды.

Первые исследования, относящиеся к изучению влияния раз­личных факторов (мутагенов) на наследственную изменчивость, появились в начале нашего столетия. В настоящее время убеди­тельно доказано влияние температуры, ультрафиолетовых и рент­геновских лучей, химических веществ и других агентов на воз­никновение мутаций. Наибольший успех достигнут в изучении действия ионизирующих излучений.

Действие ионизирующих излучений. В нашей стране Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в 1925 г. было впервые показано влияние лучей радия на наследственную изменчивость у грибов. Однако наиболее убедительное доказательство влияния рентгеновских лучей на наследственную изменчивость было по­лучено Г. Мёллером в 1927 г. благодаря созданию специального метода учета числа возникающих мутаций у дрозофилы (метод С1В). Было показано, что облучение увеличивает частоту воз^ никновения мутаций в сотни раз по сравнению со спонтанной частотой. Позднее рядом исследователей (Л. Стадлером, А. А. Сапегиным и др.) было установлено влияние радиации на возникновение мутаций у высших растений — кукурузы, табака, ячменя, пшеницы.

Возник новый раздел генетики — радиационная генетика. Исследованию влияния ионизирующих агентов на мутационный процесс уделяется и сейчас большое внимание. Это определяется

тем значением, которое ионизирующие излучения приобрели в жизни человека в последние десятилетия. К сожалению, да­леко не все представляют себе, насколько тяжелы последствия повышения фона радиации. Под влиянием даже незначительной дозы ионизации резко возрастает частота мутаций. Подавляю­щее большинство мутаций порождает различные наследствен­ные уродства и болезни. Накапливаясь в поколениях, они могут принести большие страдания человечеству. И обязанность со­временного общества состоит в том, чтобы не только сохранить жизнь и здоровье ныне живущего поколения, но и оградить буду­щие поколения от отягощения вредными мутациями.

Вместе с тем ионизирующие излучения с большим успехом используются в селекции и медицине, они широко применяются для изучения мутационного процесса.

При исследовании действия ионизирующих излучений на клетку было показано, что ядро примерно в 100 000 раз чувст­вительнее к радиации, чем цитоплазма. Поражаемость ядра клетки ионизирующими излучениями, так же как и другими агентами, может быть обусловлена высокой чувствительностью хромосом, а также тем, что они уникальны. ДНК хромосом является одним из самых чувствительных компонентов клетки. Меньшая чувствительность цитоплазмы может быть обусловлена также наличием в ней множественных одноименных структур, заменяющих друг друга.

После облучения в клетках наблюдаются самые разнообраз­ные обратимые и необратимые изменения: возникают клетки с ги­гантскими ядрами, многоядерные клетки, нарушается поляр­ность при делении ядра, тормозится митотическая активность, происходит слипание хромосом (пикноз) или их фрагментация и др. Во время деления облученной клетки в анафазе часто об­разуются хромосомные мостики, что может быть следствием хромосомных перестроек или слипания хромосом. Нарушение нормального хода митоза под влиянием облучения может при­водить к возникновению полиплоидных, гаплоидных или анеу-плоидных клеток.

Примеры описанных изменений приведены на рисунке 102, по данным И. И. Соколова. На рисунке показаны лишь типич­ные патологические состояния ядра и хромосом, возникающие в облученных клетках. При облучении в большом количестве возникают летальные, полулетальные (понижающие жизнеспо­собность) и другие мутации, вызывающие гибель зигот. Такие мутации могут быть доминантными и рецессивными.

На основании количественного учета мутаций была уста­новлена зависимость частоты их возникновения от дозы облу­чения. Многочисленные опыты с дрозофилой, кукурузой, ячме­нем и другими объектами позволили сделать вывод, что частота генных мутаций возрастает прямо пропорционально дозе

 

236

237

ионизирующего излучения. Указанную зависимость можно изо­бразить графически. На оси абсцисс откладывают дозы облу­чения, а на ординате — частоты обнаруженных мутаций. В этом случае график зависимости частоты мутаций от дозы облучения будет иметь вид прямой линии, почему и говорят о «линейной зависимости» (рис. 103,1). Продолженная влево за точку, со­ответствующую минимальной дозе, изученной в опыте, эта линия пройдет через нулевую точку координат. Это говорит о том, что любая малая доза ионизирующей радиации может приво­дить к повышению частоты мутаций. Вывод об отсутствии порога генетического эффекта ионизирующей радиации, сделан­ный на основе такой экстраполяции, получил теперь прямое подтверждение в опытах с малыми дозами. В настоящее время можно утверждать, что при любой малой дозе облучения повы­шение ее в 2 раза удваивает частоту возникновения мутаций. Интересно отметить, что равные дозы ионизирующих излучений, различающиеся по интенсивности (доза в единицу времени) в 10 000 и даже 100 000 раз, вызывают генные мутации с одина­ковой частотой.

Многочисленными работами Н. В. Тимофеева-Ресовского и его сотрудников было показано, что фракционирование одной и той же дозы не влияет на частоту возникновения точковых мутаций. Так, например, облучение рентгеновскими лучами в одной и той же дозе 1000 р, непрерывное в один сеанс или фракционированное — с интервалами в несколько часов, суток и даже недель, вызывает одинаковый процент мутаций.

Далее было установлено, что частота точковых мутаций не зависит от длины волны рентгеновских лучей.

На основании этих и ряда других данных Н. В. Тимофеев-Ресовский в сотрудничестве с физиком К. Циммером еще в 1936 г. предложил гипотезу, вошедшую в литературу под названием

теории мишени. Эта гипо­теза построена на призна­нии принципа случайного попадания кванта энергии в ген. При этом происхо-

103.

Ш0 6000 8000 Доза, р

Зависимость частоты рецессив­ных, сцепленных с полом ле­тальных мутаций у дрозофилы '(/) и хромосомных перестроек у традесканции (2) от дозы об­лучения:

/— прямо пропорциональная зави­симость; 2 — экспоненциальная.

дит Ионизация атома и ген мутирует с вероятностью, близкой к 1. Исходя из такого чисто физического представления, Тимо­феев-Ресовский объяснял линейную зависимость частоты возник­новения мутаций от дозы излучения. При этом предполагалось, что ген мутирует необратимо по принципу все или ничего. Ген принимался за мишень с определенным «чувствительным объе­мом». Поглощенная в пределах этого объема энергия «попав­шего» кванта может «мигрировать» и вызвать изменение гена или разрыв хромосомы, который может привести к хромосом­ным перестройкам. Структурные изменения хромосомы, возни­кающие вследствие одного разрыва, называют одноударными хромосомными перестройками, структурные изменения вслед­ствие двух одновременных разрывов — двухударными и т. д. Частота возникновения разных типов хромосомных перестроек находится в различной зависимости от дозы ионизирующей ра­диации. Частота одноударных хромосомных перестроек (проис­ходящих в результате одиночного разрыва) находится в прямо­линейной зависимости от дозы. Частота же двухударных пере­строек возрастает пропорционально квадрату дозы, вследствие того что вероятность одновременного возникновения двух неза­висимых событий равна произведению вероятностей (рис. 103,2). Такая зависимость возможна при условии, что разные дозы ионизации вызывают с одинаковой вероятностью разрывы хро­мосом в расчете на единицу дозы.

Прямыми цитологическими исследованиями — подсчетом клеток с нарушенными хромосомами — показано, что возник­новение хромосомных перестроек зависит от плотности иони­зации. Излучения с меньшей энергией и большей линейной плот­ностью ионизации более эффективны в вызывании хромосомных перестроек. В общей форме можно сказать, что корпускулярные излучения — быстрые нейтроны и сс-частицы вызывают хромо­сомные перестройки чаще, чем электромагнитные излучения. Объяснить это можно тем, что для возникновения разрыва не­обходимо некоторое количество ионизации на единицу объема.

Теория мишени сыграла положительную роль в изучении проблемы. Лежащие в ее основе положения и до сих пор успешно применяются в радиобиологии и радиационной генетике и из­вестны теперь в литературе как принцип попадания. Однако со временем «теория мишени» в той части, которая касалась меха­низма возникновения мутаций, вступила в противоречие с вновь открытыми фактами. Оказалось, что на частоту возникновения обнаруживаемых хромосомных перестроек влияет фракциониро­вание облучения, что связано с восстановительными процессами, идущими в клетке между двумя облучениями.

Было показано, что облучение дрозофилы и некоторых рас­тений в атмосфере чистого кислорода повышает частоту му­таций, а облучение в атмосфере азота снижает их частоту.

 

238

239

Бескислородная атмосфера оказывается в некоторой мере за­щитной при ионизирующем облучении клетки. Явление увели­чения частоты мутаций при действии ионизирующей радиации в присутствии кислорода было названо кислородным эффектом. Влияние кислорода может быть двояким: он может способство­вать возникновению мутаций или препятствовать их восстанов­лению.

При количественном анализе частоты возникновения различ­ных хромосомных перестроек встречаются трудности, заключаю­щиеся в том, что реализуется лишь незначительная часть воз­никающих под лучом разрывов, а остальные либо залечиваются с восстановлением исходных структур, либо элиминируются.

В настоящее время доказано мутагенное действие ультрафио­летовых лучей (УФ) для многих организмов. Они вызывают все виды мутаций. Самой интересной особенностью действия УФ-лучей является то, что наибольшая эффективность их свя­зана с определенным спектром длин волн, а именно с областью

о

от 2500 до 2800 А (рис. 104). Это открытие явилось важным моментом в понимании природы наследственной изменчивости. Дело в том, что нуклеиновые кислоты, составляющие основу хро­мосом, поглощают УФ с длиной волны как раз этой части спек-

о

тра, т. е. около 2600 А.

Исследование действия УФ и ионизирующих излучений на
мутационный процесс у бактерий показало, что облучение даже
не самого объекта, а лишь среды, на которой развиваются
клетки, может индуцировать мутации. Так, у кишечной палочки
(Escherichia coli) мутации, повышавшие устойчивость к стреп­
томицину и пенициллину, возникали в 10—500 раз чаще, чем
спонтанные, если бактерии развивались на облученной УФ среде.
^                                                         Это можно объяснить,

1			1Л	"9 \	1	\
		-J	'/	\ \ - \	1	\
		1 1 1 1		\	1 1	\	\
	< 1	1		1 1	\	\	\ \
	1			''г		\ \ \ X	\
		'	у					■

*£^,0° I—|—|---- [~Т"П—%—I---- 1-- 1 ^0ЧевиД^н°1 ^тем> ^что облу-

|                    / \ /\              чение среды УФ вызывает

|                   ''  \ I \             в ней образование актив-

"§ ⁸⁰               7     * / \          ^ных соединений, которые

|                /         J \           оказываются мутагенами.

!_ _s0_______ ^______ ft____ \_____ Такое опосредованное му-

104. Относительная эффектив­ ность ультрафиолетовых лу­ чей с различной длиной вол­ ны в индуцировании мута­ ций у разных организмов: / — Chactomium                             (сумчатый гриб); 2 —Zea mays (кукуруза).

I

I го

2200 2 Ш   2600   2800 «, Длина долны , А

3000

I i

240

тагенное действие ионизирующей радиации недавно показано и на млекопитающих.

До сих пор мы рассматривали физическую сторону влияния ионизирующей радиации на возникновение мутаций. Но уже давно было установлено, что при облучении одной и той же дозой рентгеновских лучей половых клеток, 'находящихся на разных стадиях развития, частота выявляемых мутаций оказы­вается различной. Если одновременно облучить рентгеновскими лучами в дозе 2000 р сперматозоиды и сперматогонии, то частота летальных мутаций в первом случае может быть около 2,5%, а во втором —около 0,5%, т. е. в 5 раз ниже. Однако, при дозах в 20 раз меньших (100 р),наоборот,в хшерматогониях ре­гистрируется в 4 раза больше мутаций, чем в сперматозоидах.

Наиболее вероятным объяснением этих фактов следует считать высокую чувствительность к ионизирующей радиации незрелых половых клеток по сравнению со зрелыми, в силу чего и элиминация при больших дозах среди них выше, чем среди зрелых клеток. При этом в первую очередь, вероятно, гибнут клетки, несущие хромосомные перестройки.

Главным барьером, отметающим хромосомные перестройки, образовавшиеся в сперматогониях, является мейоз, в профазе которого хромосомные аберрации нарушают нормальную конъ­югацию хромосом; мейоз «пропускает» лишь определенную группу мутаций — точковые и сравнительно мелкие перестройки. Последнее предположение было подтверждено экспериментально на дрозофиле.

Цитологически на гигантских хромосомах было показано, что летальные мутации, изученные в сперматозоидах и спермати-дах, в значительной мере (20—38%) связаны с крупными хро­мосомными перестройками — транслокациями, делениями и ин­версиями; мутации же, учтенные в сперматогониях при тех же условиях облучения, ни в одном случае не были связаны с круп­ными хромосомными перестройками.

Реакция клеток на облучение сильно зависит от их физио­логического состояния. У самцов и самок одного вида животных наблюдается разная чувствительность клеток. Сухие семена рас­тений менее чувствительны, чем намоченные, и т. д. Клетки разных тканей и клетки разного возраста одних и тех же тканей имеют различную чувствительность.

На различных стадиях митотического цикла чувствитель­ность хромосом к облучению различна. Многие авторы считают, что наиболее высокая поражаемость хромосом наблюдается в интерфазе, так как при этом нарушается правильность реп­ликации ДНК.

Эффективность ионизирующих излучений в отношении инду­цирования генных мутаций и хромосомных перестроек может зависеть от генотипа.

 

" Генетика с основами селекции

241

М. Л. Бельговским на насекомых, В. В. Хвостовой на расте­ниях было установлено, что частота хромосомных перестроек для одних и тех же хромосом в клетках гибридов выше, чем у исходных видов. Ю. Я- Керкис с сотрудниками патогенетиче­скими методами показали, что хромосомы мышей различных генетических линий обладают разной чувствительностью к ма­лым дозам радиации.

Возможно, зависимость мутагенного эффекта ионизирующей радиации от генотипа обусловлена не различным отношением хромосом к ионизации, а генами, которые определяют относи­тельно различный химический состав ядра клетки, ее метабо­лизм, т. е. генотип определяет характер вторичных процессов.

Было показано, что при одной и той же дозе облучения раз­личные гены мутируют с разной частотой. Например, у дрож­жей (Saccharomyces cerevisiae) известны два локуса, контроли­рующих синтез аденина (ad\ и adz). При изучении частоты мутаций под влиянием рентгеновых и УФ-лучей установлено, что частота мутаций в локусе arf₂ в два раза выше, чем в локусе adi. Даже перемещение гена из одного участка хромосомы в дру­гой может сопровождаться изменением его мутабильности при действии мутагенных факторов.

Действие химических веществ. Изучение мутационного про­цесса показало, что любые факторы внешней и внутренней среды, выводящие организм из оптимального состояния, могут вызывать мутации. Многие химические вещества могут быть мутагенами. Химический мутагенез стал предметом изучения особого раздела генетики.

Изучение мутагенного эффекта химических веществ было начато давно. Первые экспериментальные работы, в которых был получен мутационный эффект под действием химических агентов, проведены в 1934 г. в Советском Союзе В. В. Саха­ровым и М. Е. Лобашевым. Тогда же Лобашевым были предло­жены некоторые принципы выбора химических мутагенов, кото­рые в дальнейшем оказались правильными. Так, указывалось, что химическое вещество, используемое в качестве мутагена, должно обладать высокой проникающей способностью, свойст­вом изменять коллоидное состояние хромосом и определенным действием на химический состав хромосом.

Мутагенный эффект того или иного фактора может контро­лироваться приспособленностью к нему организма. Например, колхицин у растений вызывает полиплоидию, но он содержится в растении Colchicum (безвременник), не вызывая у него появления полиплоидных клеток.

И. А. Раппопортом в СССР и Ш. Ауэрбах в Англии были найдены мощные химические мутагены. К числу их относятся: формалин, иприт, уретан, этиленимин и др. Сравнение действия этих веществ с действием рентгеновских лучей показало, что

242

нет никаких принципиальных различий в характере вызываемых ими изменений — все они вызывают как генные мутации, так и хромосомные перестройки.

Эффективность и специфичность мутагенов. Большое зна­чение имеет изучение комплексного действия внешних факторов на мутационный процесс. Убедительно показано, что существуют агенты (температура и др.), которые могут повышать или по­нижать эффект радиации. Ярким примером этого может слу­жить ранее рассмотренный нами кислородный эффект.

Представляют большой интерес недавно полученные факты о влиянии вирусов и фагов на мутационный процесс у хозяев —■ бактерий, грибов, дрозофилы, человека и некоторых других ■ организмов. Эти открытия позволили выделить группу так назы­ваемых биологических мутагенов. Исследования в этой области только начинаются.

Эффективность разных мутагенных факторов может быть различной, и она определяется их химической и физической природой. Так, частота возникновения обратных мутаций, контро­лирующих синтез аденина у нейроспоры, колеблется от 152,0 (воз­действие бромэтилметансульфонатом) до 3,2 (воздействие рент­геновскими лучами) на 10⁶ конидий. Сходные данные получа­ются и у дрожжей. Однако при действии тех же агентов на другие локусы (синтез витамина) того же объекта (нейроспора) получается иная эффективность: так, при действии бромэтил-метансульфоната частота была 0,04, а при действии рентге­новских лучей — 0,20 на 10⁶ конидий. Это говорит о специфич­ности реакции генов.

Изучение специфичности действия мутагенов приближает нас к раскрытию природы гена и к решению проблемы направ­ленного его изменения. Решение проблемы управления наслед­ственной изменчивостью откроет новую эру в развитии произво­дительных сил общества.

*      *

*

Итак, мутации (генные, хромосомные, геномные и цитоплаз-матические) возникают как спонтанно, так и под влиянием воз­действий внешней среды. Для понимания природы мутационного процесса очень важно изучение индуцированных мутаций с по­мощью методов точного количественного учета.

Установлено, что частота, направление и специфичность мута­ций зависят как от качеств воздействующих факторов, так и от физиологического состояния организмов (генотипа, фазы онто­генеза, пола, стадии гаметогенеза, состояния хромосом в цикле митоза или мейоза, химического строения отдельных локусов и т. д.).

9

Глава 14. МОДИФИКАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Как уже было отмечено, организмы, имеющие одинаковые генотипы, но развивающиеся в различных условиях внешней среды, могут иметь разные фенотипы. Такое фенотипичное раз­нообразие особей называется модификационной изменчивостью.

---

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 1037; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!