Полная версия

Главная arrow География arrow ГЕНЕТИКА В 2 Ч. ЧАСТЬ 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Грибы

Первыми микроорганизмами, которые начала осваивать генетика в 1930-е гг., были грибы, прежде всего Neurospora, и различные виды дрожжей рода Saccharomyces.

Микроорганизмы как правило не отличаются разнообразием морфологических признаков, но это кажущееся неудобство компенсирует возможность приблизиться к генетическому контролю метаболизма клетки посредством получения мутантов, ауксотрофных (недостаточных) по различным органическим соединениям, или мутантов, способных усваивать экзогенные источники углерода и азота. Тем самым концепция элементарного признака, или фена, конкретизируется в виде одной биохимической реакции и далее - в виде активности фермента.

Метод селективных сред, широко используемый в микробиологии, позволяет регистрировать редкие события: мутации и рекомбинации, - и создавать условия, при которых вырастают только интересующие экспериментатора варианты. Селективные среды широко используют для отбора гибридов между гаплоидными родителями, маркированными комплементарными рецессивными мутациями ауксотрофности.

Ниже представлены пять основных вариантов жизненных циклов грибов (рис. 7.7). Среди грибов с половым размножением наблюдаются вариации от полностью гаплоидного цикла (рис. 7.7, У, 2), как, например, у Neurospora, до полностью диплоидного (рис. 7.7, 5), как у гомоталличных штаммов Saccharomyces cerevisiae (рис. 7.8).

Для большинства мицелиальных грибов характерно наличие нескольких ядер в общей цитоплазме. Эти ядра могут иметь разные генотипы. В таком случае по аналогии с гетерозиготой говорят о гетерокарио- нах (рис. 7.7, 5).

В общем виде митоз и мейоз у грибов происходят так же, как у высших эукариот, но без разрушения ядерной мембраны и, по-видимому, без плотной компактизации хромосом, поскольку последние обычно неразличимы в световом микроскопе.

Основные типы жизненных циклов у грибов в схематическом представлении

Рис. 7.7. Основные типы жизненных циклов у грибов в схематическом представлении: 1 - асексуальный; 2- гаплоидный; 3 - гаплоидный с гстсрокариотической стадией;

4 - гапло-диплоидный; 5 - диплоидный; М - мейоз; О - оплодотворение

Жизненный цикл дрожжей Saccharomyces cerevisiae

Рис. 7.8. Жизненный цикл дрожжей Saccharomyces cerevisiae: а - гетероталличных, б - гомоталличных

Несовместимость у грибов. В зависимости от способа генетической детерминации несовместимость у грибов бывает гомогенной и гетерогенной. В первом случае возможны скрещивания между различными клетками (мицелиями), а во втором - между одинаковыми, по генам несовместимости. Гомогенная несовместимость, в свою очередь, подразделяется на биполярную и тетраполярную (рис. 7.9).

Классификация типов несовместимости у грибов

Рис. 7.9. Классификация типов несовместимости у грибов

Типичный представитель грибов с гомогенной биполярной несовместимостью - дрожжи Sacch. cerevisae (рис. 7.8), у которых цитогамия и последующая кариогамия происходят только между' клетками (или аскоспорами) противоположных типов спаривания а и а, детерминируемых аллелями локуса. К этому же типу несовместимости принадлежит и Neurospora crassa.

Тетраполярная гомогенная несовместимость характерна для бази- диомицетов, в частности для Shizophyllum соттипае. При этом типе несовместимости нормальный половой процесс происходит только между штаммами, неодинаковыми сразу по двум факторам несовместимости: А и В. При различии только по одному из факторов Л=% В* или А*, В= (где = означает одинаковые, * - различающиеся факторы) гифы сливаются и осуществляется лишь часть реакций полового морфогенеза, не завершающаяся слиянием ядер. Гомогенный тип несовместимости у грибов сходен с гомо- морфическим типом несовместимости высших растений.

Гетерогенная несовместимость означает, что половой процесс происходит только между штаммами, одинаковыми по факторам несовместимости. При этом несовместимость контролируется как аллелями одного гена, так и разными генами. Этот сложный контроль может накладываться на гомогенную несовместимость, как это наблюдается у Podospora anserina. В пределах каждой географической расы этого гриба отмечено два типа спаривания: «+» и «-». Нормальный половой процесс завершается только тогда, когда скрещиваемые штаммы «+» и «-» типов спаривания одинаковы по аллелям гена t. У Р. anserina существует и неаллельный механизм гетерогенной несовместимости, менее исследованный, чем аллельный. При неаллельном механизме несовместимости для нормального скрещивания необходимо, чтобы штаммы были одинаковыми сразу по нескольким генам (не менее четырех).

Разнообразие жизненных циклов и типов несовместимости у грибов накладывает отпечаток и на приемы, используемые при их гибридологическом анализе. У одних грибов половой процесс осуществляется на основе гетерогамии, как у нейроспоры, что позволяет ставить реципрокные скрещивания; у других - на основе изогамии, как у дрожжей сахаромицетов. Наряду с половым размножением существует полный или неполный пара- сексуальный цикл в зависимости от вида грибов. Парасексуальный цикл - это процесс объединения и последующей рекомбинации генов на основе событий, происходящих в митозе, а не в мейозе, без участия оплодотворения половым путем.

Рассмотрим два подхода, внесшие существенный вклад в разработку проблем общей генетики: тетрадном анализе и генетическом анализе на основе парасексуального процесса.

Тетрадный анализ сыграл решающую роль в доказательстве правила чистоты гамет, в изучении кроссинговера на стадии четырех хроматид и в решении других проблем.

В отличие от генетического анализа, основанного на случайной выборке продуктов расщепления (у высших растений, животных и большинства микроорганизмов), где единицей варьирования (измерения) служит особь или клетка, в тетрадном анализе такой единицей является тетрада, точнее, само расщепление в тетраде. При моногибридном скрещивании типичное расщепление в тетрадах - соотношение 2А : , если у объекта четырехспоровые аски, как у дрожжей или Neurospora tetrasperma, а также тетрады микроспор, как у высших растений. В случае восьмиспоровых ас- ков (октад) это соотношение преобразуется в 4А : 4а, как у N. crassa или Sordaria fimicola.

Рассмотрим тетрады упорядоченные, как у N. crassa, и неупорядоченные, как у Saccharomyces, где обычно невозможно установить порядок аскоспор относительно направления веретена двух мейотических делений. В обоих случаях (для упорядоченных и неупорядоченных тетрад) при ди- гибридном скрещивании, например АВ х ab, в общем виде рассматривают три типа тетрад: родительский дитип (Р), неродительский дитип (N) и тетратип (Г):

Пусть гены А и В находятся в разных хромосомах. Тетрады Р и N могут появиться, если в первом делении мейоза совпадает расщепление

(редукция) по центромерам и по обоим факторам A/а и В/b. Эти случаи носят название расщепления при первом делении мейоза. Тетрады Т появляются только в результате кроссинговера на участке ген A/а (и/или В/Ь) - центромера (рис. 7.10). На этом факте основано картирование генов по отношению к центромерам.

Образование тетрад Р, N и Т в зависимости от наличия или отсутствия кроссинговера между генами и соответствующими центромерами. М, Ml - первое и второе деления мейоза

Рис. 7.10. Образование тетрад Р, N и Т в зависимости от наличия или отсутствия кроссинговера между генами и соответствующими центромерами. М, Ml - первое и второе деления мейоза

Если гены А и В не сцеплены между собой и свободно рекомбинируют со своими центромерами, т. е. достаточно удалены от них, то легко убедиться, что соотношение тетрад Р : N : Т - 1:1:4, поскольку тетрады Т возникают в результате четырех вариантов обмена на стадии четырех хро- матид на участке ген-центромера.

Если оба гена - А и В - сцеплены достаточно тесно со своими центромерами, то расщепление при втором делении затруднено (кроссинговер редок), что приводит к уменьшению частоты тетрад Т. Тогда при Р = N, 2

7 < — можно определить расстояние генов от своих центромер по частоте расщепления при втором делении. Реально для неупорядоченных тетрад расстояние ген-центромера определяют при тригибридном скрещивании, при котором все три гена обнаруживают сцепление с разными центромерами. В случае упорядоченных тетрад это расстояние можно определить и при моногибридном скрещивании по расположению спор в линейном аске.

Если гены А и В сцеплены между собой, то тетрады Р wN появляются 2

не с равной частотой: Р > N, Т < —. В этом случае расстояние между генами можно определить также исходя из частот Т.

В общем виде формула для определения расстояния (D) между генами:

где/(7) - частота тетратипов (производная от функции Холдейна).

Расстояние между генами и центромерами определяют при тригибридном скрещивании, пользуясь той же формулой, однако теперь величина D - это сумма расстояний двух генов от их центромер. Гак определяют DABiDAC и Dbcj далее - расстояние каждого гена от своей центромеры:

Расстояние выражается в условных единицах - стрейнах. Наименование «стрейн» происходит от общего сокращения имен трех генетиков, внесших выдающийся вклад в изучение рекомбинации: А. Стертеванта, А. Троу и Дж. Холдейна.

При гибридологическом анализе у грибов можно использовать случайную выборку гаплоидных сегрегантов при освобождении аскоспор из асков. Конкретная тактика использования приемов генетического анализа диктуется его задачами. Так, расстояние между генами проще определить в случайной выборке аскоспор, а сцепление генов с центромерами - в тетрадном анализе.

Генетический анализ при парасексуалыюм процессе. У многих грибов возможно слияние вегетативных гиф, в результате чего гаплоидные ядра штаммов оказываются в общей цитоплазме. При генетических различиях между такими ядрами возникают гетерокарионы, которые могут длительно существовать, как, например, у N. crassa. Этот прием широко используется для изучения взаимодействия между генами и аллелями, между генами ядра и цитоплазмой. При этом между аллелями одного гена могут устанавливаться рецессивно-доминантные отношения, в общих чертах аналогичные отношениям в гетерозиготе. Однако в тех случаях, где это возможно сравнивать, гетерозиготы и гетсрокарионы иногда показывают разный характер аллельных взаимодействий, что, по-видимому, связано минимум с двумя обстоятельствами:

  • 1) количественное соотношение ядер, следовательно, и аллелей в ге- терокарионе может варьировать;
  • 2) аллели и гены одного ядра пространственно разделены не так, как в гетерокарионе.

У некоторых грибов, например у У. crassa, гаплоидные гетерокарио- ны можно поддерживать неограниченно долго. У других грибов, например у видов Aspergillus, этот процесс дальше развивается в форме парасексу- ального цикла. Ядра гетерокариона иногда сливаются с образованием диплоидных участков мицелия, которые можно селектировать при действии паров ^-камфоры, как это делается для Aspergillus nidulans и Penicillium chrysogenum. Далее в ходе митотических делений диплоидные ядра могут претерпевать два независимых процесса: гатоидизацию и митотический крое- синговеру - которые ведут к митотическому или соматическому расщеплению.

Гаплоидизация происходит спонтанно. Ее эффективно индуцирует п-фторфенил аланин.

Если при митотических делениях диплоидных ядер теряется одна хромосома (2/7 - 1), то возникающее анэуплоидное ядро становится нестабильным и последовательно теряет все хромосомы одного набора, пока не установится стабильное гаплоидное число. При этом хромосомы разных пар ведут себя независимо, а гены одной хромосомы обнаруживают абсолютное сцепление. В связи с этим для локализации неизвестного гена в уже маркированной группе сцепления необходимо установить, с какими из маркеров постоянно ассоциирован исследуемый ген при гаплоидизации.

Локализовать ген уже в пределах группы сцепления можно на основе митотического кроссинговера, спонтанного или индуцированного реком- биногенными факторами. Кроссинговер на участке ген- центромера приводит к гомозиготизации всех генов, расположенных дистальнее точки обмена в половине ядер (клеток) - потомков рекомбинантного ядра (рис. 7.11). Таким образом, митотический кроссинговер можно использовать для локализации генов одного плеча хромосомы по отношению к центромере.

При этом расстояние наиболее удаленного от центромеры маркера (гомозиготизация по которому происходит чаще всего) принимают за 100 %, а расположение остальных маркеров определяют по формуле

где D - расстояние ген-центромера, Nb - общее число митотических сегре- гантов, гомозиготных по b Nab - число сегрегантов, гомозиготных по а и b одновременно, если Ъ - маркер, наиболее удаленный от центромеры.

При изучении рекомбинации с центромерой гены различных плеч одной хромосомы не обнаруживают сцепления, т. е. ведут себя независимо. Сцепление между ними устанавливается при исследовании гаплоидизации.

Рассмотрим картирование на основе митотического кроссинговера на примере данных, полученных Г. Понтекорво и Г. Кейфер (1958) для Aspergillus nidulans.

Диплоид

дал следующее соотношение (среди 371 митотических рекомбинанта, гомозиготных по у, который служил в данном случае в качестве маркера- селектора):

Результат митотического кроссинговера на участке а-b в тетрагетерозиготе по сцепленным генам, когда рецессивный аллель картируемого гена с находится

Рис. 7.11. Результат митотического кроссинговера на участке а-b в тетрагетерозиготе по сцепленным генам, когда рецессивный аллель картируемого гена с находится: а - в маркированном гомологе; б- в немаркированном гомологе;

«+» - доминантные аллели генов a, b, с, d

В предварительных опытах по гаплоидизации было показано, что все четыре гена находятся в одной группе сцепления. Самое большое расстояние от центромеры принимается за 100 %; расстояние центромера-/?™ - 30 : 371 х 100 % - 8 %; центромера-/?а6 - 275 : 371 х 100 % = 74 %. Таким образом установили порядок расположения генов и их расстояние от центромеры (рис. 7.12). Рекомбинанты, гомозиготные по ade, не были получены, возможно, из-за очень тесного сцепления ade с центромерой либо из-за того, что ade находится в другом плече хромосомы, а двойной митотический кроссинговер случается очень редко. Таким образом, парасексуаль- ный процесс, несмотря на то, что различные этапы его имеют низкую частоту, дает надежные результаты при генетическом анализе.

Расположение трех генов по отношению к центромере (ц) на основе митотического кроссинговера у Aspergillus nidulans

Рис. 7.12. Расположение трех генов по отношению к центромере (ц) на основе митотического кроссинговера у Aspergillus nidulans

На картах групп сцепления, построенных на основе учета мейотиче- ской и митотической рекомбинации, т. е. при парасексуальном процессе, гены располагаются в одинаковой последовательности, как это показано для Aspergillus nidulans.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>