Сравнительная оценка роли мутаций, рекомбинаций, мобильных последовательностей ДНК и репараций в адаптации растений

16.12.2015

В настоящее время считается достаточно обоснованным положение о том, что совершенствование адаптации высших организмов, в т.ч. и растений, обеспечивается в филогенезе главным образом за счет рекомбиногенеза. Большой геном, отмечает Мэйнард Смит, не может возникнуть у организма без рекомбинаций и правки ошибок, а рекомбинация и правка ошибок невозможны без большого генома. Рекомбинаций способствуют закреплению в популяции новых выгодных аллелей (эффект «попутного транспорта») и элиминации вредных мутаций или замедлению процесса их накопления, преобразовывают мутационную изменчивость в адаптивно значимые комплексы генов, т.е. сохраняемые в Процессе отбора признаки. Ген, который сегодня является нейтральным, считает Саlder, через тысячу поколений в новых условиях среды может стать очень важным. Но его «легализация» может произойти и раньше, благодаря новому направлению отбора и рекомбинации, а значит, включению его в фенотипически экспрессируемый блок генов онтогенетической адаптации.
Спор о том, что важнее для естественного и искусственного отбора высших растений - мутации или рекомбинации, относится, по выражению Майра, «к битвам прошлого поколения». Именно обмен генами является главным источником наследственной изменчивости в естественных популяциях. Возникновение генотипической изменчивости путем рекомбинаций происходит почти вдвое быстрее, чем за счет только мутационного процесса. На большом экспериментальном материале показано, что если у микроорганизмов процесс адаптации основан на появлении мутантов, способных в короткие сроки заменить менее адаптированные формы, то у высших организмов (растений, животных), отличающихся гораздо большей пластичностью, рекомбинация генов становится более важной и эффективной, чем мутации.
Рекомбинационные обмены у высших эукариот обеспечивают значительно большую долю адаптивных вариантов в реализованной потенциальной генотипической изменчивости (т.е. в структуре свободной изменчивости), включая трансгрессии по количественным признакам и их сочетаниям, аномальную изменчивость (латентную, или скрытую), интрогрессивные типы.
Роль рекомбинации у высших организмов как основного источника генотипической изменчивости при естественном и искусственном отборе подчеркивают Dobzhansky, Мюнтцинг, Pandey, Айала и другие исследователи. Dobzhansky, например, считает, что если бы у дрозофилы мутационный процесс и оказался временно подавленным, то в течение одного поколения за счет рекомбинаций можно было бы воссоздать от 25 до 40% всей естественной изменчивости. По мнению Stebbins, мутации в качестве единственного источника вариабельности не могли обеспечить быстрых скачков в эволюции растений - эта роль принадлежит гибридизации и рекомбинации. Рекомбинация и расщепление представляют собой исключительно важные источники быстро формирующейся изменчивости, хотя, в конечном счете, и зависят от фона, создаваемого случайными мутациями.
Признание первостепенной роли рекомбинаций в естественной эволюции и селекции растений, особенно с точки зрения создания адаптивных форм, нисколько не умаляет тот факт, что рекомбинационная генотипическая изменчивость всецело ограничена изменчивостью аллелей, т.е. мутациями, или что мутация - изначальный источник всей генетической изменчивости. Как справедливо заметил Savage, мутации поставляют прекрасное сырье для эволюции. Stebbins образно сравнивает мутации с бензином, рекомбинации - с мотором, необходимым для движения автомобиля, а отбор - с водителем. Считается, что рекомбинация ускоряет эволюцию, поскольку позволяет мутациям, первоначально возникающим у разных особей, комбинироваться в потомстве.
Взаимодействие мутаций как источника первичных генетических изменений, преобразуемых в адаптивно значимые комплексы генов, с рекомбинациями, обеспечивающими эти преобразования (функция 1) и формирование дупликаций (функция 2), составляет основное содержание процесса генерации генетической изменчивости. Обе отмеченные функции рекомбинации, видимо, одинаково важны, но в разной степени изучены. Хотя исследование преобразований исходных сочетаний генов в процессе комбинативной изменчивости в новые (т.е. функция 1) - одна из основных задач генетики, большинство деталей этих преобразований все еще не ясны.
Отличить истинные генные мутации от кроссоверов достаточно трудно. По мнению Anderson, множество предполагаемых мутаций, возникающих в результате интрогрессии, на самом деле могут быть результатом кроссинговера. Чем меньше филогенетическое родство скрещиваемых форм, тем вероятнее, что новые морфологические отклонения являются результатом кроссинговера, а не мутации. При отдаленных скрещиваниях кроссинговер может быть источником «мутационной» изменчивости за счет неравных обменов, приводящих к дупликациям, делениям и т.д. Хесин считает, что митотические рекомбинации - своеобразный тип мутагенеза или, наоборот, некоторые виды мутагенеза (хромосомные аберрации) - результат «ошибок» митотических рекомбинаций.
На связь мутационных и рекомбинационных процессов указывает наличие генов-мутаторов, обнаруженных у дрозофилы, кукурузы и других организмов. Согласно Мияке, Speyer, мутаторными свойствами могут обладать гены, контролирующие процессы репарации и рекомбинации. У микроорганизмов отмечена взаимосвязь между частотой спонтанных мутаций и генами rес, влияющими на отдельные этапы репарационно-рекомбинационного процесса.
Мутация гена, включенного в систему контроля рекомбинации, повышает мутабельность. У многих видов растений идентифицировано значительное число mei-мутаций, контролирующих процесс мейоза. Lindsley et al. предлагают различать два класса мейотических мутаций: первый - влияет на вероятность обмена, второй - на интенсивность интерференции. Baker et al. отмечают, что мутации могут изменять частоту рекомбинаций в мейозе и митозе, а также репарационные процессы, повышать чувствительность процесса рекомбинации к мутагенам. В опытах с кукурузой McClintock было обнаружено, что мутации, расположенные вблизи локуса sh, широко варьируют по степени влияния на частоту кроссинговера. Пехов и др. считают, что уровень индуцированного мутагенеза определяется уровнем рекомбинационной активности. Большинство или все мутагенные факторы могут индуцировать мутации и рекомбинации, включая транслокации. Способность большинства мутагенов повышать частоту кроссинговера можно использовать для получения редких рекомбинантов.
При отсутствии рекомбинаций в популяциях отмечается значительное увеличение числа вредных мутаций (мутационный груз). При этом зоны генома, где рекомбинация по каким-либо причинам блокирована у всех особей популяции, могут стать генетически инертными за счет накопления вредных мутаций. Благодаря кроссинговеру вредные мутантные аллели, возникающие независимо в разное время и в различных локусах двух гомологичных хромосом, попадают в одну из рекомбинантных хромосом и реципрокный продукт оказывается как бы «очищенным» от мутаций (так же, как и популяция в целом).
Считается, что мейоз обеспечивает своего рода «омоложение» за счет репарации массовых предмутационных изменений, которые накапливаются в течение онтогенеза высших организмов. Можно предположить, что аналогичную роль выполняет и митотический кроссинговер, предотвращая таким образом проявление мутаций в онтогенезе высших организмов. Указанный механизм, на наш взгляд, имеет существенное значение для вегетативно размножаемых растений, поскольку митоз, как и мейоз, благодаря кроссинговеру может выступать в качестве своеобразного «фильтра» неадаптивных мутаций. Согласно Leigh, частота мутаций у бесполых видов должна быть выше, чем у родственных видов, размножающихся половым путем, при условии, что различные системы размножения в процессе эволюции обрели наиболее адаптивную частоту мутаций. Особое значение мутационный груз может иметь и у культивируемых длительное время сортов. И.И. Шмальгаузен отмечал важную роль естественного отбора, способного поддерживать чистоту диких форм и предохранять их от засорения многочисленными мутациями. В условиях искусственного разведения и содержания под защитой человека, писал он, сохраняется и комбинируется огромное число таких мутаций. В целом, в синтетической теории эволюции рекомбинации и мутации рассматриваются как единый поток генотипической изменчивости. Однако очевидно, что в решении практических задач повышения адаптивного потенциала культурных растений рекомбинационной изменчивости принадлежит ведущая роль.
Положение о том, что экзогенные факторы (химические и физические мутагены, экстремальные температуры и т.д.) индуцируют мутационные и/или рекомбинационные изменения в геноме, стало общепризнанным в генетике уже в 1920-1930-е гг. В то же время высказываемое некоторыми исследователями предположение, что организмы могут обладать и собственными генетическими системами, способными быстро и эффективно перестраивать геном, оставалось дискуссионным. Так, еще Emerson и Rhoades обратили внимание на то обстоятельство, что некоторые рецессивные мутации кукурузы («элементы пятнистости»), влияющие на пигментацию алейронового слоя в зерне, характеризуются исключительной нестабильностью и обладают способностью возвращаться к немутантному фенотипу почти в тысячу раз чаще, чем ожидалось. Ситуация в этой области исследований резко изменилась, когда McClintock выявила нестабильность локусов у растений кукурузы, обусловленную ассоциированными с ними транспозируемыми элементами. Причем она впервые доказала, что мобильный (транспозируемый) элемент Ds кукурузы может не только контролировать экспрессию структурных генов в том локусе, где он находится, но и перемещаться в пределах 9-й хромосомы с одной позиции на другую (от проксимального участка хромосомы к дистальному) под контролем регулирующего элемента Ас. Другими словами, элемент Ds (рецептор, или фактор диссоциации), впервые идентифицированный как участок разрыва хромосом, не способен перемещаться автономно и требует присутствия элемента Ас (регуляторный, или активаторный элемент).
Перемещающиеся, или мобильные, элементы у кукурузы не имеют собственного фенотипического выражения и проявляются благодаря супермутабельности тех генетических локусов, в которых они находятся или на которые влияют на расстоянии. При этом частота мутаций генетических локусов, содержащих «контролирующие» элементы, иногда достигает десятков процентов. Если элемент Ас удаляется из генома, мутации Ds ведут себя как стабильные аллели, тогда как в присутствии Ас они появляются с высокой частотой. Поэтому термин «контролирующий элемент», введенный McClintock, отражает способность мобильных элементов модулировать активность генов, в т.ч. приводить структурные гены к новым типам экспрессии. Тщательное изучение двухкомпонентной системы Ac-Ds, и в частности перестроек генома кукурузы, индуцируемых контролирующими элементами (разрывы и появление новых мутабельных локусов), привело к принципиально новому пониманию системы контроля генетических элементов, перемещающихся по геному.
Контролирующие элементы кукурузы являются дискретными последовательностями в локусе и осуществляют две основные функции: транспозицию и контроль активности генов. Число копий Ас у некоторых линий кукурузы может быть равно 10. Заметим, однако, что не все транспозоны являются двухкомпонентными системами. Так, Robertson обнаружил линию кукурузы (Миl), ;в которой при самоопылении рецессивные мутации появлялись почти в 50 раз чаще, чем ожидалось, а мутаторная активность этой линии передавалась через мужские и женские гаметы почти всему потомству. Довольно часто транспозируемые элементы эукариот рассеяны по геному как ряд копий, способных образовывать небольшую, но значимую фракцию.
Наиболее сложным и дискуссионным остается вопрос о механизмах процесса транспозиции. Так, если у прокариот многие из перестановок ДНК можно объяснить на основе механизмов общей рекомбинации, специфической для зоны ДНК рекомбинацией, стимулируемой транспозоном репликационной рекомбинацией, а также «незаконной рекомбинацией», то, согласно предположению McClintock, транспозиция у кукурузы сопровождается вырезанием контролирующего элемента в процессе репликации. В дальнейшем Greenblatt и Brink подтвердили гипотезу McClintock на примере транспозиции элемента Ас в локусе Р. Установлено также, что транспозируемые элементы кукурузы могут вызывать делеции в смежных локусах, а определенные состояния мутантного аллеля (изменяющиеся вследствие реверсии) - обусловливаться инверсией или инсерцией транспозируемых элементов в соответствующих локусах.
Greenblatt считает, что не только у прокариот, но и у эукариот решающая роль в обеспечении транспозиции принадлежит типу репликации хромосом. Однако, по мнению Finnegan, разные подвижные элементы могут использовать различные механизмы транспозиции. Причем перемещение одного и того же элемента может осуществляться с помощью нескольких механизмов. Так, транспозиция мобильных последовательностей ДНК в масштабе генома может происходить за счет эксцизии - вырезания (точной или неточной), рекомбинации (гомологичной или негомологичной) и репликации. В частности, Greenblatt и Brink доказана возможность вовлечения репликации в транспозицию. В целом же, считается, что механизмы перемещения контролирующих элементов у растений кардинально отличаются от таковых у прокариот.
Подвижные элементы способствуют мутациям, транспозициям, инверсиям и другим генетическим перестройкам, могут встраиваться в разные места генома, давая начало вставочным, или инсерционным, мутациям, а также подавлять рекомбинации в зоне своего расположения. Показано, что контролирующий элемент кукурузы способен непосредственно модифицировать частоту рекомбинаций. По данным Dooner и Kermicle, встраивание элемента Ds в локусы bz и R кукурузы по-разному влияло на внутригенную рекомбинацию и находилось в зависимости от природы мутаций и соответствующих гетерозигот.
Значительная часть реорганизации компонентов генома у кукурузы, включающая реципрокные транслокации, инверсии, дупликации, по мнению McClintock, является неслучайной. Аналогичный характер транспозиции в пределах генома еще раньше отметили Brink и Nilan, Van Schaik и Brink, показавшие, что элемент Мр оказывается сцепленным с локусом Р (хромосома 1) значительно чаще, чем этого следовало ожидать при случайном их расхождении. В дальнейшем было установлено, что элемент Мр может индуцировать разрыв в стандартном локусе Ds таким же путем, как и Ас.
Способность мобильных элементов вызывать мутации у эукариот рассматривалась Finnegan в качестве наиболее достоверного эффекта. Причем при помощи мобильных элементов прямо или косвенно усиливаются практически все изменения в структуре генов и их функции. Так, внедрение мобильного элемента в ген может повысить или уменьшить уровень его экспрессии, а рекомбинации между различными копиями элемента - удваивать, инвертировать или перемещать целые сегменты ДНК. Мобильные элементы в генах кукурузы, обусловливающих антоциановую окраску, приводят к количественным изменениям в их экспрессии. На активность транспозируемых элементов может оказывать влияние цитоплазма.
Хотя многие транспозируемые элементы не обнаруживают какого-либо четкого фенотипического проявления (кроме способности индуцировать мутации), генетическая изменчивость, обусловленная ими, обеспечивает большую селективную ценность организму или его непосредственному потомству. Возможно, подвижные элементы сохраняются естественным отбором именно потому, что, образовывая новую первичную структуру хромосом, обеспечивают их носителям определенное селективное преимущество. Другими словами, предполагается, что биологическая функция этого типа генетических детерминантов состоит в преобразовании генетической информации, т.е. генерировании генетического разнообразия организмов в процессе эволюции.
Согласно «селекционистской» гипотезе Cohen, Nevers и Saedler отбор благоприятствует сохранению транспозируемых элементов в процессе эволюции, выступающих в роли важнейшего фактора видообразования. Такой подход согласуется с положением Wilson et al.; Bush et al. о том, что изменения в организации генома происходят чаще у быстро эволюционирующих видов. Разумеется, прямое действие отбора на перемещающиеся элементы может быть и элиминирующим. В частности, имеются многочисленные доказательства тому, Что транспозоны индуцируют и вредные мутации. Причем, например, вставка транспозируемых элементов у гаплоидных эукариот по сравнению с диплоидными значительно чаще индуцирует непосредственно выраженную летальную или стерильную мутацию.
Некоторые исследователи рассматривают транспозируемые элементы в качестве геномных (хромосомных) паразитов (гипотеза «эгоистичной ДНК»), которые сохраняются в организме независимо от действия отбора. Эти утверждения основаны на результатах опытов, свидетельствующих о дупликации мобильных элементов в процессе транспозиции. Так, с помощью молекулярного клонирования удалось изолировать мобильные элементы растений и на этой основе показать, например, что в зависимости от линии число копий элемента Ds у кукурузы варьирует от нескольких единиц до сотен. Причем, по мнению Freeling, мобильные элементы (или бывшие мобильные последовательности), возможно, составляют около 50% генома кукурузы. Предполагается, что число копий, например, транспозонов Р у дрозофилы находится под особым контролем. Отмечается, в частности, явление саморегуляции, когда низкому числу копий соответствует довольно высокая частота транспозиций, а с увеличением их числа до 30-50 количество транспозиций вновь уменьшается. Получены также убедительные доказательства саморегуляции перемещения мобильных элементов у прокариот, дрозофилы и кукурузы. Выявлены системы, ингибирующие перемещение мобильных последовательностей ДНК у прокариот и эукариот. Однако, согласно модели Charlesworth и Langley, различные семейства транспозируемых элементов находятся в условиях независимой регуляции. Причем геномы с ограниченной рекомбинацией (а следовательно, и репрессированным процессом перемещения мобильных последовательностей ДНК) по сравнению с организмами со свободной рекомбинацией имеют эволюционное (селективное) преимущество. Авторы отмечают такую же ситуацию для контролирующих элементов, которые подавляют транспозицию в геномах соматических клеток. Подчеркивается отсутствие такого явления у дрозофилы (кроме зародышевой линии клеток) и, наоборот, высокая степень нестабильности мобильных элементов в геномах соматических клеток кукурузы.
Pohlman et al., Courage et al. считают, что рецепторный мобильный элемент Ds кукурузы, по-видимому, представляет собой измененный регуляторный элемент Ас, т.е. они структурно взаимосвязаны. Отмечено также сходство в структурных особенностях транспозируемых элементов у кукурузы, сои, львиного зева. В этой связи Saedler et al. предполагают, что до дивергенции указанных видов мог существовать общий прародительский элемент или горизонтальное распространение его произошло на более поздних этапах эволюции. McClintock особо акцентирует внимание на данных Nevers и Saedler, установивших сходство так называемого регуляторного компонента у кукурузы с транспозонами прокариот. Высказывается также предположение, что, возможно, перемещающиеся элементы эволюционировали на базе уже имеющихся в геноме последовательностей ДНК или же они были приобретены в результате вирусной инфекции. В целом достоверная информация относительно происхождения мобильных элементов пока отсутствует, несмотря на постоянно увеличивающееся число публикаций по теоретическим вопросам эволюционной биологии и популяционной генетики транспозируемых элементов.
Транспозируемые элементы обнаружены у бактерий, дрожжей, некоторых видов высших растений, дрозофилы, млекопитающих. У кукурузы, львиного зева, сои выделено несколько типов элементов Ds, Ac, Spm-18, Мu 1, Cin 1. Для кукурузы, кроме системы Ds-Ac, описаны рецепторно-регуляторные системы a-dt-Dt, I-En, Ds-Mp, a-ml-En. Fedoroff et al. клонировали элементы Ас, Ds 9 и Ds 6 из мутантных аллелей гена waxy (воскообразный). Все указанные элементы имеют на концах инвертированные повторяющиеся последовательности ДНК, а некоторые из них могут быть сгруппированы в семейства.
Согласно Peacock et al., все изученные линии кукурузы содержат последовательности ДНК с элементами Ас и Ds, даже если активность последних не проявляется. Bonas et al., Saedler et al., Upadhyaya et al. идентифицировали у Antirrhinum majus транспозиционные элементы Tarn 1 и Tarn 2, влияющие на пигментацию цветков. При этом были получены физические характеристики Таm 1 и Таm 2, в т.ч. определено их расположение в локусе nivea. Как и у ряда других видов растений, у A. majus отмечено явление, во многом напоминающее парамутацию и взаимодействие элементов Таm 1 и Таm 2.
Установлено, что контролирующие элементы кукурузы сохраняются как стабильные компоненты генома лишь до тех пор, пока растения не подвергаются действию экологического стрессора, обусловливающего перемещение (транспозицию) указанных элементов или их экспрессию. Причем в большинстве случаев проявление стрессового воздействия ассоциируется с разрывом хромосом, хотя не исключаются и другие механизмы. Так, McClintock высказала предположение, что цикл «разрыв - слияние - мост» инициирует стресс внутри генома, который, в свою очередь, мобилизует резерву для противодействия ему. Причем в качестве одного из проявлений стресса может рассматриваться амплификация генов. Отмечено также, что межвидовую гибридизацию растений можно отнести к числу стрессов, способных реорганизовывать геномы компонентов скрещивания. Например, Ahuja показал, что путем скрещивания разных видов Nicotiana удается создать генетический фон для проявления генетически детерминированных опухолей на надземных частях растения. Генетическая нестабильность, проявляющаяся в вариабельности окраски и формы цветков и ростовых процессов, была обнаружена также у межвидовых гибридов Nicotiana и гибридов кукурузы с теосинте. В последнем случае около 2% потомства гибридов F, оказывались мутантными. Характерно, что мутации появлялись у растений, содержавших даже одну хромосому теосинте.
По мнению В. Burr и F. Burr, условия in vitro, оказываясь стрессовыми для функционирования генома растений, возможно, индуцируют перераспределение хромосом путем спонтанной транспозиции контролирующих элементов. Кроме того, в культуре in vitro могут «включаться» ранее «молчавшие» копии транспозируемых элементов и таким образом индуцироваться новые мутации, делеции, инверсии, транслокации и дупликации сегментов хромосом. Неслучайно получено большое число регенерантов с новыми хозяйственно ценными признаками. Так, в опытах Nickel и Heinz среди регенерантов сахарного тростника были обнаружены растения с признаком устойчивости к вирусу мозаики, которого не было у родительских линий.
В геноме дрозофилы имеются множественные копии генетических элементов, способные к транспозиции. Мобильные диспергированные гены (МДГ) составляют около 20% от всей ДНК генома. Локусы, в которые включаются МДГ, приобретают подвижность и перемещаются как транспозоны. Отмечено также сходство мобильных диспергированных генов дрозофилы с контролирующими элементами кукурузы.
Согласно обобщению Хесина, перемещающиеся генетические элементы обусловливают значительную долю наследственной изменчивости, обладая способностью индуцировать хромосомные аберрации всех типов как у прокариот, так и эукариот, давать начало инсерционным мутациям, подавлять рекомбинации в зоне своего расположения. При этом специфичность действия этих элементов (в отличие от обычных мутаций и рекомбинаций) состоит в длительно сохраняющейся нестабильности мутаций; необычных изменениях генома, возникающих, как правило, при их участии; неравномерности (вспышки) вызываемого ими мутагенеза в популяциях; возможности направленных изменений благодаря иногда свойственной им сайт-специфичности и, наконец, активном участии в переносе генов между разными видами. Распределение перемещающихся генетических элементов между дочерними клетками, количественные закономерности их наследования и эволюции, по мнению автора, должны подчиняться правилам, сходным с законами популяционной генетики. В этой связи ставится вопрос о выделении такого специального направления исследований, как популяционная генетика «внутриклеточных структур и внутригеномных элементов».
Каждая из транспозиций у эукариот может представлять фенотипически экспрессируемую или селективно-нейтральную мутацию. Финнеган и др. (1986) отмечают способность мобильных элементов инактивировать любой активный ген, включать в норме не экспрессирующуюся последовательность ДНК, а также влиять на экспрессию близлежащих последовательностей, т.е. регулировать процесс онтогенетической адаптации. Одновременно подчеркивается роль мобильных элементов и в генерировании генотипической изменчивости. Так, в результате рекомбинации между различными копиями одного и того же мобильного элемента на разных хромосомах или в разных сегментах одной хромосомы могут возникать делеции, инверсии и транслокации. Однако, указывая на широкое распространение и важную роль мобильных элементов в основных генетических процессах у эукариот, авторы не видят достаточных оснований считать обсуждаемые эффекты чем-то большим, нежели случайным следствием их способности к транспозиции.
Вполне закономерно, что интенсивное изучение перемещающихся генетических элементов все настойчивее выдвигает вопрос о возможностях их практического использования в селекции, медицине и других областях. Freeling, например, считает, что транспозоны растений могут оказаться полезными при клонировании генов. При этом особенно перспективны транспозоны Мu 1 и Ас (из wx-m 9), которые можно вводить путем микроинъекции в зародышевый мешок. Finnegan полагает, что мобильные элементы возможно использовать в качестве генетических маркеров, с помощью которых удастся идентифицировать популяции разных видов. Считается также, что элементы Ас и Ds кукурузы пригодны в качестве векторов для трансформации.
В плане обсуждаемой роли мобильных элементов у культурных растений большого внимания заслуживает поднятая В. Burr и F. Burr проблема «уклоняющихся форм» у районированных сортов и гибридов, особенно у вегетативно размножаемых культур. Отмечается, в частности, спонтанное появление нетипичных для сортов пшеницы форм вследствие анеуплоидии, смена детерминантного (или индетерминантного) типа куста у томата при воздействии высоких температур на проростки, появление карликовых (или, наоборот, высоких) растений у сорго, форм «плоский стручок» (с частотой 0,1-0,2%) и «сморщенный стручок» у лимской фасоли, «заячьи уши» (растения с вертикально расположенными листьями и стручками, а также меньшим числом зерен) у гороха, повторных мутаций у инбредных линий кукурузы и т.д. Еще в ранних работах McClintock было показано, что перемещение элемента Ds часто приводит к снижению жизнеспособности семян у кукурузы. Нередки и повторные мутации, возвращающие хозяйственно ценные признаки сортов культурных растений к фенотипу дикого вида. Спонтанная реверсия мутантных аллелей в указанных случаях, считают В. Burr и F. Burr, может быть обусловлена инсерцией транспозируемых элементов в соответствующих локусах. Например, у кукурузы транспозиции могут находиться под контролем других трансдействующих элементов генома. Присутствием последних в одних линиях и отсутствием в других объясняется проявление разной стабильности мутантных аллелей в зависимости от генетического фона.
Считается, что частота ошибок в процессе репликации молекул ДНК во многих системах не превышает 10в8-10в11 на нуклеотид. Такой высокий уровень точности воспроизведения генетической информации достигается с помощью целого ряда корректирующих процессов, которые функционируют как во время репликации ДНК, так и после нее. Максимальное количество информации, которое поддерживает самореплицирующаяся система, обратно пропорционально частоте ошибок копирования. Сохранение нативной структуры ДНК и точность передачи наследственной информации контролируются системами репликации, репарации ДНК и генетической рекомбинации. Процессы репарации-самовосстановления (самоизлечения) первичной структуры ДНК после ее нарушения - детально изучены и описаны.
При нарушении точности функционирования ферментов репликационного комплекса или синтеза предшественников ДНК, а также при ошибках в репарации и рекомбинации возникают первичные повреждения в ДНК по типу предмутационных потенциальных нарушений. При этом превращение потенциального повреждения в мутацию зависит от целого ряда факторов, и в первую очередь от состояния ферментных систем репарации. Заметим, что повреждение в информационных молекулах ДНК не следует отождествлять с мутацией, поскольку в противоположность поврежденной ДНК мутированная ДНК состоит из ненарушенной последовательности нуклеотидных пар и может бесконечно реплицироваться. Выявлены и изучены следующие репарирующие ферментные системы: фотореактивация, эксцизионная репарация путем «вырезания - застройки» и пострепликативная репарация на основе рекомбинационных процессов.
Если для фотореактивации, т.е. восстановления первичных повреждений ДНК, индуцированных ультрафиолетовым светом (260 нм), необходима энергия видимого света (320-410 нм), то эксцизионная и пострепликативная репарация от его действия не зависят и поэтому относятся к темновой репарации. При эксцизионной репарации пораженная часть нити ДНК вырезается и заменяется нормальными нуклеотидами (в результате первоначальные структура и функции ДНК восстанавливаются), а в случае пострепликативной (или рекомбинационной) репарации отсутствующая генетическая информация восстанавливается за счет рекомбинации между дочерними молекулами ДНК. В связи с этим, считают М. Fischer и С. Fischer, необходимо проводить четкую грань между изменениями генетического материала и генетической информации. Если репарация функционирует успешно, генетическая информация остается неизменной даже в тех случаях, когда изменения в ДНК и происходят. Это, естественно, не исключает ошибочной репарации (как и ошибочной репликации), приводящей к мутациям.
Фотореактивирующие энзимы (способные, например, восстанавливать до 80% летальных поражений ДНК у бактерий) обнаружены у простейших, грибов, животных и высших растений. При эксцизии, наряду с оставшимися после фотореактивации пораженными участками ДНК, вырезаются и граничащие с ними нуклеотиды, а для репарационного синтеза в качестве матрицы используется интактная оппозитная нить ДНК. В литературе рассматриваются две возможности пострепликативной репарации: восстановление повреждения за счет рекомбинации с комплементарной частью дочерней молекулы ДНК и с помощью SOS-полимеразы. Однако при рекомбинационном механизме пострепликативной репарации вновь возникающие повреждения отдельных нитей ДНК устраняются путем эксцизионной репарации. При критических поражениях ДНК индуцируется неконститутивная функция репарации, вследствие которой возникают мутации. Эту способность индуцибельной репарации обозначили как SOS-репарацию, т.е. возникающую дополнительно в случае замедления синтеза ДНК. При этом мутации, по-видимому, являются результатом неточного контроля процесса «застройки» в брешах или вставки ложных оснований. Таким образом, хотя репарация и повышает вероятность выживания клетки, некоторые ее типы (эксцизионная репарация длинных участков ДНК, а в основном SOS-репарация) могут быть причиной возникновения мутаций. Многие исследователи, отмечая сходство схем эксцизионной и рекомбинационной репараций, указывают на важную роль в их прохождении механизма нерепликативного синтеза, с функционированием которого и связана возможность увеличения ошибок при синтезе ДНК.
Механизмы рекомбинации (в процессе которой образуются однонитевые разрывы и происходят частичный ресинтез и восстановление разрывов) оказываются во многом сходными с этапами темновой репарации ДНК. Bernstein вообще рассматривает мейотическую рекомбинацию преимущественно как репарационный механизм. Отмечается, что в мейотическом кроссинговере изменяется частота мутаций, а в процессы репарации и рекомбинации вовлекаются идентичные ферменты. На наш взгляд, системы репарации играют также важную роль в реализации взаимосвязи генетических систем онтогенетической и филогенетической адаптации у высших организмов.
Изучение mei-мутаций у дрозофилы убедительно показало участие системы репарации в процессах становления генетической изменчивости организма. Установлено, например, что мутантные аллели локусов mei-9, mus-201, 205, 302, 304, 306 и 308 детерминируют нарушение механизма эксцизионной репарации после УФ-облучения. Нормальное функционирование этих генов необходимо для осуществления первого этапа эксцизионной репарации-инцизии повреждений ДНК. Мутации генов mei-41, mus-101, mus-302, mus-205, mus-104 и mus-304 контролируют различные пути пострегошкативной репарации.
Предполагается, что причина возникновения хромосомных аберраций связана с неполноценностью репарационных систем. Причем если образующиеся хромосомные разрывы остаются нерепарированными в силу каких-то причин, то увеличивается и вероятность фиксации хромосомных аберраций, митотического кроссинговера или анеуплоидии. Ген mei-9 контролирует репарационные функции и в мейозе, поскольку мутация указанного локуса нарушает репарацию ошибочно спаренных оснований в гетеродуплексе при внутригенной рекомбинации, что приводит к постмейотической сегрегации маркеров, не наблюдаемой в норме. На примере мутанта дрозофилы с (3)G установлено, что не все мутанты, дефектные по репарации, характеризуются нарушением мейоза.
На спонтанную частоту мутаций влияют гены-мутаторы и антимутаторы. Они воздействуют на этапы репликации ДНК, а также на процессы, обусловливающие правильность репликации ДНК или степень ее устойчивости к повреждающим факторам среды. Некоторые гены-мутаторы влияют на чувствительность организмов к летальным и мутагенным эффектам радиации или химических соединений, включаясь обычно в репарационные процессы.
Сравнивая частоту спонтанных мутаций в нереплицирующихся геномах разных организмов, Drake обнаружил, что она варьирует в значительно меньшей мере, чем количество ДНК. Гродзинский считает, что эволюция может быть затруднена для особей с мощными репарационными системами, поскольку такие системы будут устранять большинство изменений в генетическом материале. Например, высокая репарационная функция клеток сине-зеленых водорослей позволяет им переносить весьма высокие дозы ионизирующей радиации (до 2 млн рад), УФ-лучей, температуру почти кипящих гейзеров. Характерно, что за миллионы лет существования строение этих водорослей почти не изменилось.
Малочисленны сведения, освещающие роль репарации в рекомбинации у высших растений. Показано, например, что у лилии на каждые 10 тыс. однонитевых разрывов, образуемых под действием эндонуклеаз, в среднем только один превращается в кроссоверный обмен, тогда как остальные репарируются. Отмечается и возможная общность механизмов репарации повреждений при индуцированном мутагенезе и рекомбиногенезе, а также участие рекомбинационной системы в репликации предмутационных и мутационных повреждений.
Исследованиями Володина и Савченко, Володина и Гордей, Володина установлено, что различия по радиочувствительности между сортами растений определяются интенсивностью репарационных процессов, а не уровнем первичных цитогенетических повреждений после облучения. Так, интенсивность репарации хромосомных аберраций у кукурузы в течение первого митотического цикла зависит от общей радиоустойчивости генотипа. Причем если у исходных форм кукурузы за первый цикл деления хромосомные аберрации репарируются у 23-32% клеток, то у соответствующего высокогетерозисного радиоустойчивого гибрида - у 50% и выше. Это же положение было подтверждено в опытах с применением ингибитора репарации (кофеина) на гетерозисных и негетерозисных формах кукурузы. Таким образом, интенсивность репарационного синтеза хотя и находится под генетическим контролем, в значительной степени варьирует в зависимости от общего уровня метаболизма клетки, т.е. выступает в качестве механизма, обусловливающего отрицательную корреляцию между высоким уровнем онтогенетической приспособленности организма и их мутабельностью (Жученко, 1980, 2004).
Дополнительную информацию об особенностях функционирования систем репарации можно получить при анализе данных об изменении частоты спонтанных мутаций и аберраций у организмов в зависимости от их физиологического состояния, характера питания, возраста и т.д. Показано, в частности, что нарушение окислительного фосфорилирования и энергетического баланса в клетке приводит к изменению в ней нуклеотидного пула и тем самым к повышению мутабельности.
Согласно гипотезе Pandey, специфичность репарации ДНК может обусловливаться особенностями вида растений, а также самого повреждающего фактора. Такой подход совпадает с точкой зрения Soyfer, считающего, что разные виды растений могут различаться не только системами репарации, но и условиями, при которых эти системы функционируют. От набора энзимов, участвующих в процессах репарации ДНК, зависит и скорость восстановления разрывов ДНК, индуцированных облучением. Именно в разной способности облученной пыльцы к быстрой репарации поврежденной ДНК Pandey усматривает неодинаковую ее восприимчивость у разных видов растений к ионизирующему облучению (для Pisum sativum, Hordeum vulgare, Triticum aestivum, Capsicum annuum летальная доза - 3-5 кР, а для Nicotiana rustica, N. paniculata, N. glutinosa, Lycopersicon esculentum, Solanum pennellii - 20-30 кР). Особенности хромосомной репарации (путем соматической рекомбинации, в т.ч. конверсии) и многовариантность энзимов репарации в пыльце свидетельствуют о разной способности ДНК сублетально облученной пыльцы к переносу генов. Причем если у таких видов, как кукуруза, ячмень, пшеница, табак, капуста (как правило, виды с трехъядерной пыльцой), облученная пыльца может быть успешно использована для межвидового переноса генов, то при селекции томата, гороха, перца (виды с двухъядерной пыльцой) указанный метод оказался неэффективным.
В заключение следует подчеркнуть, что рассмотренные выше системы (размножения, мутационная, рекомбинационная, репарационная, перемещающиеся генетические элементы) по их влиянию на уровень и спектр генотипической изменчивости растений функционируют в тесной взаимосвязи, являются одновременно регулирующими (в формировании потенциала генотипической изменчивости) и регулируемыми (генетическая изменчивость их самих) компонентами генетической программы филогенетической адаптации.