Генетика устойчивости. Теория "ген против гена"

Изучение генов, управляющих тем или иным свойством организма, до недавней эпохи молекулярной генетики проводили путем скрещивания двух особей, различающихся выражением этого свойства (растения с красными и белыми цветками, длинными и короткими побегами, коротким или длинным сроком созревания семян и т.п.). Такое изучение генов, управляющих устойчивостью к болезням, чрезвычайно трудно, ибо она (устойчивость), как видно из предыдущего параграфа, управляется великим множеством генетических систем. В самом деле, устойчивость пшеницы к ржавчине может быть обусловлена согнутыми вниз листьями или же наличием /?-белка, узнающего структуру эффектора паразита. Управляющие этими свойствами гены не имеют между собой ничего общего. Возникла потребность в существовании системы, позволяющей классифицировать генетическую природу разных типов устойчивости. Такая система была предложена южноафриканским фитопатологом Я. Ван дер Планком, который объединил различные типы устойчивости растений в две группы, названные им вертикальная и горизонтальная устойчивость. ^[1] Для понимания хода рассуждений Ван дер Планка рассмотрим пример анализа устойчивости картофеля к фитофторозу.

Степень пораженности кустов картофеля фитофторозом можно учитывать с помощью пятибалльной шкалы, в которой баллом 0 обозначают растения, не имеющие фитофторозных пятен, баллом 1 — растения, у которых поражены до 1/4 всех листьев, баллом 2 — поражены от 1/4 до 1/2 листьев, баллом 3 — от 1/2 до 3/4, баллом 4 — поражены все листья куста. Допустим, сорт картофеля А поражается на 0 баллов, а сорт В в тех же условиях — на 3—4 балла. Гибриды первого поколения (F1) между этим сортами будут поражены, как и сорт Л, на 0 баллов. Следовательно, устойчивость сорта А доминантна, а восприимчивость сорта В — рецессивна. Во втором поколении вместо однообразия первого будет наблюдаться расщепление на два класса: п% растений будут устойчивы как родитель А (0 баллов) и (100 - п)% будут восприимчивы как сорт В (3—4 балла). Но соотношению этих классов можно определить, каким количеством генов управляется устойчивость сорта А (при наличии одного гена расщепление будет близким к 3 : 1, двух генов — 15 : 1 и т.д.). Отсюда вытекает первый вывод: устойчивость сорта А контролируется олигогенами или большими генами (высоко экспрессивными). Каждый из этих генов вызывает значительные изменения в фенотипе растения, позволяющие установить его наличие в геноме, поэтому по расщеплению во втором поколении (F2) можно определить число генов.

Теперь соберем споры возбудителя болезни из разных полей и регионов и заразим листья сорта А образцами из разных популяций. Мы можем найти штаммы паразита, которые будут заражать сорт А так же сильно, как сорт В. Следовательно, второй вывод заключается в том, что действие гена устойчивости, присутствующего в сорте А, проявляется не ко всему виду Phytophihara infestans, а лишь к некоторым штаммам (их называют физиологическими расами или расами но хозяину), в то время как другие расы могут поражать этот сорт. Наконец, оторвем листья сорта А от растения, поместим их во влажную камеру (чашку Петри с увлажненной фильтровальной бумагой) и заразим миллионами спор, т.е. создадим оптимальные условия для паразита. Все равно листья останутся устойчивыми. Отсюда третий вывод: устойчивость сорта А не модифицируется внешними условиями, сохраняется в широком их диапазоне.

Устойчивость, присущую сорту А, Ван дер Планк назвал вертикальной (ВУ ).

Теперь с сортом В будем сравнивать другой устойчивый сорт, назовем его С, который поражается на 1 балл. В первом гибридном поколении в отличие от ранее описанной ситуации не будет никакого однообразия. Найдутся растения как высоко устойчивые, так и сильно восприимчивые. Еще больший разброс будет наблюдаться во втором поколении. С) числе генов судить по такому расщеплению потомства крайне сложно, поэтому для анализа используют статистические методы. Построим график, откладывая на оси абсцисс баллы поражения, а на оси ординат — число растений в расщепляющейся популяции, пораженных на данный балл. Получится колоколообразная кривая, близкая к кривой нормального распределения, согласно которой наибольшее число растений будет иметь средний между родителями балл поражения (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Расщепление по степени поражаемости фитофторозом гибридов первого поколения F1 от скрещивания сортов картофеля "Вольтман" и "Зикинген", различающихся степенью горизонтальной устойчивости ^[2]

При анализе достаточно большой популяции можно найти растения более устойчивые, чем устойчивый родитель, и более восприимчивые, чем восприимчивый родитель. Это явление получило название трансгрессии.

Такая кривая свидетельствует о том, что, во-первых, нельзя судить о доминантности или рецессивности генов устойчивости сорта С, и, во-вторых, нельзя судить о числе генов, управляющих устойчивостью этого сорта. Такие гены называют невзаимодействующими (нет взаимодействия между доминантным и рецессивным аллелями одного гена) или аддитивными. Каждый из этих генов имеет слабый фенотипический эффект по сравнению со своим аллелем, поэтому число генов, управляющих устойчивостью, по распределению признака в потомстве от скрещиваний определить не так просто, как в первом примере. Для этого потребуется проведение специально спланированных опытов, в ходе которых можно получить лишь статистически вероятностный ответ. Общая степень устойчивости будет определяться числом генов у того или иного сорта. Например, если каждый ген повышает устойчивость на 0,5 балла, то при отсутствии генов поражаемость составит 4 балла, при наличии одного гена — 3,5 балла, двух генов — 3 балла, трех генов — 2,5 балла, четырех генов — 2 балла, пяти генов — 1,5 балла, шести генов — 1 балл, семи генов — 0,5 балла и восьми генов — 0 баллов.

В этом примере сорт С обладает шестью генами устойчивости, а сорт В двумя. Наибольшее число гибридов будет иметь среднее число генов между родителями (6 + 2) : 2, т.е. четыре, и поражаться на 2 балла, хотя редкие комбинации могут иметь все восемь генов (трансгрессия по устойчивости) и 0 генов (трансгрессия по восприимчивости). Такие гены называют полигенами или малыми генами, а устойчивость к болезням, контролируемую ими, Ван дер Планк назвал горизонтальной (ГУ).

Если, как и в первом опыте, провести заражение сорта С разными расами, то, в отличие от сортов с ВУ, существенной разницы в поражении ими не будет наблюдаться, следовательно, ГУ проявляется по отношению ко всем расам данного паразита, и ее разрушения отдельными расами не произойдет. С другой стороны, в очень благоприятных для развития болезни условиях сорта, имеющие высокий уровень ГУ, могут поражаться, хотя и не так сильно, как сорта, не имеющие ее. Следовательно, устойчивость этого типа оперирует в более узком диапазоне внешних условий, чем вертикальная.

Итак, два типа устойчивости, постулируемые Ван дер Планком, имеют ряд признаков, отличающих их друг от друга. Среди них:

• - генетический контроль, который в случае ВУ осуществляется олигогенами с доминантным эффектом, в случае ГУ — полигенами с аддитивным эффектом;
• - фенотипическое выражение: при ВУ — альтернативное, при ГУ - неальтернативное. Это значит, что при ВУ одного доминантного гена необходимо и достаточно, чтобы растение было полностью устойчивым, и дополнительные гены ничего к этому не прибавят, т.е. возможны лишь две альтернативы: при наличии доминатного аллеля — растение полностью устойчиво, при отсутствии — полностью восприимчиво ("все или ничего").

При ГУ — чем большее число генов присутствует у сорта, тем выше его устойчивость, т.е. отношения не "все или ничего", а "больше или меньше". Наиболее частое проявление ВУ — качественное (реакция сверхчувствительности), а ГУ — количественное (число пятен на листе, число спор в одном пятне и т.п.);

— взаимоотношения с паразитом. При ВУ они — расоспецифические: в популяциях паразитов могут возникать и накапливаться расы, способные осуществить эрозию ВУ и заражать ранее устойчивый сорт. При наличии ГУ ситуация потери сортом его устойчивости маловероятна (рис. 2.7):

Рис. 2.7. Схематическое изображение действия вертикальной и горизонтальной устойчивости:

• 1, 2 — сорта, обладающие разными генами ВУ; 3 — сорт, обладающий высокой степенью ГУ; 4 — сорт, не имеющий ни ВУ, ни ГУ
• — модификации внешними условиями: ВУ защищает сорт от поражения почти при любых погодных условиях, в то время как ГУ может быть значительно ослаблена при погодных условиях, благоприятных для развития болезни;

механизм устойчивости. Сравнивая приведенные данные о свойствах ВУ и ГУ с механизмами устойчивости, описанными в параграфе 2.1, можно сделать однозначный вывод о том, что механизмом ВУ является синтез R -белков, а механизмом ее разрушения расами паразита — синтез эффекторов, "не узнающихся" R-белками. Все остальные механизмы иммунитета относятся к компетенции ГУ.

"Гонка вооружений", обусловленная изменениями в структуре эффекторов паразита и узнающих их Я-белков растения, протекает в соответствии с концепцией "ген против гена". Эту концепцию предложил в середине прошлого века американский фитопатолог X. Г. Флор в результате опытов по наследованию устойчивости льна к расам ржавчины и вирулентности возбудителя ржавчины к сортам льна. Согласно теории "ген против гена" паразит может заражать сорт растения, имеющий доминантный ген устойчивости, только при наличии соответствующего рецессивного гена вирулентности (точнее — рецессивного аллеля доминантного гена авирулентности). Подобные диаллельные взаимоотношения представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Диаллельные взаимоотношения хозяина и паразита в системе "ген против гена"

Из табл. 2.3 следует, что растение может обладать вертикальной устойчивостью к паразиту только в том случае, если его доминантному гену устойчивости противостоит доминантный же ген авирулентности паразита. Поскольку большинство изученных видов растений, как и большинство их паразитов, обладают многими генами устойчивости и авирулентности, то устойчивое состояние возникает лишь в том случае, когда хотя бы одна пара взаимодействующих генов хозяина и паразита доминантна (если у паразита есть ген А1_, то устойчивое растение должно иметь ген R1, против гена А2 должен быть ген R2 и т.д.).

Концепция "ген против гена" сыграла важную роль как в теории (при исследованиях молекулярных механизмов взаимодействий растения- хозяина и паразита), так и в практике — для дифференциации рас паразитов (см. гл. 3) и селекции устойчивых сортов (см. гл. 4).

Описанные выше взаимоотношения сортов картофеля с расами возбудителя фитофтороза наиболее четко выражают различия между ГУ и ВУ, поэтому Ван дер Планк именно фитофороз картофеля использовал в качестве анализа этих различий (однако при очень многих болезнях растений наблюдаются отклонения от подобной картины).

Симптомы болезни. При фитофторозе картофеля независимо от генов ВУ картофеля и рас паразита всегда наблюдаются лишь две альтернативы: точечный некроз (реакция сверхчувствительности) или пятна со споро- ношением. При ржавчинных болезнях злаков разные гены ВУ имеют различную экспрессивность и включают защитные реакции клеток с разной скоростью. Поэтому, наряду с точечным некрозом или хлорозом, при ВУ может формироваться и небольшая пустула, содержащая споры паразита и окруженная хлоротическим или некротическим ореолом. Американский фитопатолог Э. Стекмен создал шкалу типов реакции пшеницы, имеющей разные гены ВУ, на заражение возбудителем стеблевой ржавчины пшеницы Puccinia graminis (рис. 2.8).

Модификация внешними условиями. Не все гены В У фенотипически проявляются в широком диапазоне внешних условий. У некоторых растений обнаружены температурочувствительные гены устойчивости, защитное действие которых теряется в условиях повышенных температур. Некоторые из них имеют большое практическое значение (используются в селекции на иммунитет). Так, дикий американский клейкий табак Nicotiana glutinosa имеет ген устойчивости к ВТМ (Л^г-ген), который перенесен во многие сорта культурного табака. Если листья клейкого табака, растущего при 24—25°С, натереть табачным соком, содержащим вирусные

Рис. 2.8. Типы устойчивости пшеницы, контролируемые разными генами ВУ ^[3]:

X — обозначение гетерогенной реакции (верхняя часть листа восприимчива, нижняя — устойчива)

частицы, то вместо распространения по всему растению и образования симптомов мозаики в местах проникновения вируса образуются точечные некрозы (реакция сверхчувствительности), за пределы которых вирус распространяться не будет. Но если зараженные растения перенести в условия повышенной температуры (35—37°С), то блокировка вируса в зоне некрозов будет снята, и вирусные частицы начнут распространяться по всему растению. Если снова вернуть горшки с клейким табаком в тепличный бокс с пониженной температурой, все участки листьев, в которые распространились вирусные частицы, некротизируются, но за их пределы вирус не попадет. Следовательно, ген N — температурочувствительный: он защищает растения от вируса при оптимальной для роста температуре, но не защищает при температуре роста, близкой к максимальной.

Подобным же образом ведут себя некоторые гены ВУ злаков к ржавчинным грибам. Это было обнаружено в опытах по заражению сортов пшеницы разными расами ржавчины в теплицах. Оказалось, что некоторые сорта зимой проявляют себя как устойчивые, а летом, когда вследствие парникового эффекта температура в теплице становится высокой, — как восприимчивые. Таков ген устойчивости пшеницы к стеблевой ржавчине Sr6, который содержится в геноме популярного канадского сорта "Селкирк". На экспрессию генов ВУ могут влиять и другие факторы. Например, реакция гена ВУ льна N2 к расам ржавчины варьирует в зависимости от освещенности.

Наследование ВУ и ГУ. Известны случаи, когда полигенная устойчивость расоспецифична, а олигогенная — неспецифична. Например, описана полигенная, количественная, но расоспецифическая устойчивость пшеницы к бурой ржавчине, и моногенная, качественная, но неспецифическая устойчивость кукурузы к гельминтоспориозу (возбудитель гриб Cochliobolus carbonum).

• [1] См.: Ван дер Планк Я. Болезни растений. М.: Колос, 1966: Он же. Устойчивость растений к болезням. М.: Колос, 1972.
• [2] См.: Яшина И., Попкова К., Ерохина С., Суханова Р. Генетические основы селекции картофеля на фитофтороустойчивость // Картофель и овощи. 1966. № 8.
• [3] См.: Стекмен Э., Харрар Дж. Основы патологии растений. М. : Иностранная литература, 1959.