Новые виды растений можно создавать при помощи горизонтального переноса полных ядерных геномов

Германские и польские биологи показали, что между клетками привоя и подвоя может происходить горизонтальный перенос не только пластидных геномов, но и ядерных. Прививая друг к другу обыкновенный табак Nicotiana tabacum и табачное дерево Nicotiana glauca, удалось получить аллополиплоидные клетки, содержащие в одном ядре оба диплоидных хромосомных набора родительских видов. Из этих клеток были выращены полноценные растения, сочетающие признаки обоих родителей и способные производить жизнеспособные семена. По формальным критериям эти растения заслуживают выделения в особый вид, получивший название Nicotiana tabauca.

Табак Nicotiana tabacum, табачное дерево N. glauca и их аллополиплоидный потомок N. tabauca. Верхний ряд демонстрирует быстрый рост нового растения (показаны экземпляры одинакового, 44-дневного возраста), второй и третий ряды — различия в форме и окраске листьев: у N. glauca пигменты-антоцианы распределены по всему листу, у N. tabacum они отсутствуют, у гибридного N. tabauca — имеются только возле черешка. Нижний ряд показывает различия в строении цветков. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature


Аллополиплоидизация (см. Allopolyploidy) — объединение геномов двух родительских видов — один из самых простых и быстрых способов видообразования, широко распространенный у растений. Так возникли многие виды и сорта растений — как диких, так и культурных. Однако возможности этого способа формирования новых видов далеко не безграничны. Сначала должно произойти межвидовое скрещивание: половые клетки (гаметы) двух родительских видов должны слиться, образовав зиготу с двумя гаплоидными родительскими наборами хромосом (такую клетку можно назвать амфигаплоидной или аллодиплоидной). Первая трудность состоит в том, что скрещивание, как правило, возможно только между близкородственными видами. Вторая проблема — в том, что аллодиплоидное растение обычно бесплодно. Все его хромосомы существуют в единственном числе и не могут найти себе пару при мейозе, поэтому такое растение не производит жизнеспособных гамет и не способно к половому размножению. Чтобы из гибридного растения получился настоящий новый вид, оно должно размножаться бесполым (вегетативным) путем до тех пор, пока тем или иным способом не произойдет полногеномная дупликация, то есть удвоение всего химерного генома (см. схемы двух возможных путей видообразования путем аллополиплоидизации). Тогда получится аллотетраплоид (амфидиплоид), у которого каждая хромосома сможет найти себе пару при мейозе, и способность к половому размножению с большой вероятностью восстановится. Так может появиться полноценный новый вид, репродуктивно изолированный от обоих родительских видов.

Альтернативным способом видообразования путем аллополиплоидизации могло бы стать объединение ядерных геномов двух вегетативных диплоидных клеток. Тогда аллотетраплоид, способный к половому размножению, получился бы сразу, минуя сложные промежуточные этапы. Но возможно ли такое в природе или хотя бы в лаборатории?

Гипотетически, объединение геномов могло бы происходить при срастании (естественном или искусственном) растений двух видов (см. Прививка). Однако многолетние исследования ничего подобного не обнаружили, и поэтому идея «вегетативной гибридизации» считалась безнадежно скомпрометированной (см. также: Graft-chimaera).

Однако в 2009 году Сандра Стегеманн (Sandra Stegemann) и Ральф Бок (Ralph Bock) из немецкого Института молекулярной физиологии растений общества Макса Планка (Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie) показали, что в зоне контакта между привоем и подвоем может происходить обмен пластидными геномами. Это значит, что вегетативная гибридизация технически возможна, пусть и в крайне ограниченном и урезанном виде (см.: Один из постулатов лысенкоизма частично реабилитирован, «Элементы», 02.05.2009). К слову заметим, что речь здесь вовсе не идет о реабилитации лысенкоизма, хотя бы потому, что Лысенко и его соратники считали вегетативную гибридизацию фактом, опровергающим генетику и хромосомную теорию наследственности (что не имеет ничего общего с реальностью).

В своем новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature, Стегеманн и Бок совместно с германскими и польскими коллегами показали, что между клетками сросшихся растений происходит горизонтальный перенос не только пластидных, но и ядерных геномов. Это открывает удивительную возможность выводить новые гибридные тетраплоидные сорта и даже новые виды растений, выращивая их из отдельных клеток, полученных из зоны срастания привоя и подвоя.

Сначала авторы провели эксперименты с двумя генно-модифицированными линиями табака Nicotiana tabacum. Одна линия несет ген устойчивости к антибиотику канамицину, другая — к гигромицину. Оба гена находятся в ядерном геноме. Верхушку одного растения прививали к основанию другого. Затем из зоны срастания брали делящиеся клетки (см. Каллюс) и выращивали их на среде, содержащей оба антибиотика. В таких условиях могли выжить только клетки, содержащие оба гена устойчивости. Опыт удался: из 13 привитых растений удалось получить 29 колоний устойчивых клеток.

Из этих колоний были выращены полноценные растения. При помощи ПЦР авторы убедились, что в геноме этих растений действительно содержатся оба гена устойчивости. Значит, горизонтальный перенос ядерных генов действительно произошел.

Теперь нужно было выяснить, имела ли место передача отдельных генов или целых геномов. В пользу второй версии свидетельствовало то, что клетки у гибридных растений оказались существенно крупнее, чем у родительских линий. Размер клеток коррелирует с содержанием ДНК (см.: Малый размер птичьих геномов — наследие эпохи динозавров, «Элементы», 16.03.2007), поэтому у полиплоидов клетки обычно крупнее, чем у диплоидов.

Гибридные растения оказались фертильными (плодовитыми): от них были получены жизнеспособные семена, из которых выросло следующее поколение гибридов. Число хромосом в их клетках слегка варьировало, что указывает на нестабильный характер расхождения хромосом во время клеточных делений. Однако у многих гибридных растений оказалось ровно 96 хромосом. У табака 48 хромосом в диплоидном наборе. Стало быть, полученные гибриды являются тетраплоидами, возникшими в результате переноса полного ядерного генома из клетки в клетку в зоне срастания привоя и подвоя.

Нестабильность числа хромосом часто наблюдается у недавно сформировавшихся аутополиплоидов (то есть полиплоидов, возникших путем умножения числа копий генома одного и того же вида). Причина в том, что у таких организмов во время мейоза каждая хромосома имеет не одного потенциального партнера для спаривания, а несколько (у тетраплоидов — три). Это порождает хаос при разбиении хромосом на пары, что, в свою очередь, ведет к неправильному расхождению и потере хромосом.

Изучив под микроскопом мейоз материнских клеток пыльцы гибридного табака, авторы убедились, что при расхождении хромосом действительно происходят сбои (рис. 2).

Рис. 2. Мейоз материнских клеток пыльцы у обычного и аутотетраплоидного табака, полученного путем горизонтального переноса ядерного генома. a — обычный табак; хромосомы расходятся правильно; длина масштабной линейки 50 мкм. b — тетраплоидный табак; некоторые хромосомы группируются и расходятся по дочерним клеткам неправильно (отмечены стрелками); длина масштабных линеек 20 мкм. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature

Тетраплоидность гибридных растений была подтверждена еще двумя методами: определением количества ДНК при помощи проточной цитометрии и классическим генетическим анализом расщепления признаков у потомства (такой анализ было удобно проводить благодаря тому, что одна из родительских линий была гомозиготна по гену устойчивости к антибиотику, а вторая — гетерозиготна).

Авторы не остановились на достигнутом и перешли к экспериментам по межвидовой гибридизации. Для этого они сращивали обыкновенный табак Nicotiana tabacum (снабженный геном устойчивости к гигромицину) с табачным деревом Nicotiana glauca, в геном которого был внедрен ген устойчивости к канамицину (рис. 3).

Рис. 3. Сращивание растений разных видов в природе и лаборатории. Слева — естественное срастание березы и клена в лесу в Нью-Джерси, справа — сросшиеся растения табака и табачного дерева в теплице (табак справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Эти два вида могут скрещиваться обычным путем, но гибриды получаются бесплодные (A. Tojak-Goluch, A. Berbeć. 2003. Cytological investigations of the interspecific hybrids of Nicotiana tabacum L. × N. glauca Grah.).

Действуя по той же методике, что и в экспериментах с двумя линиями табака, авторы получили из 12 пар сросшихся растений 45 линий клеток, устойчивых к обоим антибиотикам. Из них удалось вырастить полноценные растения — аллотетраплоиды, несущие в ядре каждой клетки полные диплоидные геномы обоих родителей (у табака 48 хромосом, у табачного дерева — 24, у гибридов — 72). По большинству признаков гибриды оказались промежуточными между N. nicotiana и N. glauca (рис. 1). В лаборатории они росли быстрее обоих родительских видов, что можно интерпретировать как проявление гетерозиса). Это значит, что они в определенных условиях могут конкурировать с предковыми растениями.

Гибриды оказались плодовитыми, их потомство — тоже. Способны ли они скрещиваться с родительскими видами, в статье не сказано. По идее, если такие скрещивания возможны, они должны приводить к появлению бесплодных триплоидов. Так или иначе, авторы решили, что гибридные растения удовлетворяют всем критериям нового вида. Они даже присвоили ему латинское название: Nicotiana tabauca.

Новые растения и по своей морфологии, и по числу хромосом оказались более устойчивыми (то есть менее изменчивыми), чем гибридный табак из первой серии опытов. Это объясняется тем, что хромосомы табака и табачного дерева различаются достаточно сильно, чтобы не спариваться друг с другом в мейозе и не создавать путаницы при расхождении хромосом. Аллотетраплоиды, в отличие от аутотетраплоидов, ведут себя де-факто как диплоиды: каждая хромосома имеет только одного потенциального партнера для спаривания. Анализ расщепления признаков у потомства подтвердил это предположение.

Впрочем, в быстро делящихся клетках корневой меристемы N. tabauca авторы обнаружили случаи неправильного расхождения хромосом. Таким образом, некоторая геномная нестабильность у нового вида имеется. Это обычное явление для недавно сформировавшихся аллополиплоидов, которое, как правило, быстро сходит на нет в ходе дальнейшей эволюции (естественный отбор будет поддерживать генотипы, тем или иным способом обеспечивающие правильное расхождение хромосом).

Горизонтальный перенос ядерного генома в зоне срастания мог произойти либо в результате слияния клеток, либо путем миграции ядер по межклеточным мостикам, как это нередко происходит у растений, особенно при развитии пыльцы (см. Cytomixis).

Какой из двух вариантов сработал в данном случае, не совсем понятно, хотя авторы склоняются к варианту с цитомиксисом. При полном слиянии клеток у гибридов присутствовали бы пластиды и митохондрии обоих родителей (это явление называется гетероплазмией). Однако гетероплазмию авторы не обнаружили, по крайней мере в случае с пластидами. У одних экземпляров N. tabauca присутствуют только пластидные геномы N. nicotiana, у других — только N. glauca, но ни у кого нет обоих пластидных геномов сразу. С другой стороны, митохондриальная гетероплазмия была замечена у нескольких экземпляров. По мнению авторов, это не обязательно свидетельствует о слиянии клеток, потому что митохондрии у растений бывают тесно связаны с ядерной мембраной и поэтому, гипотетически, могут перейти из клетки в клетку по межклеточному мостику вместе с ядром.

Полученные результаты важны как для теории, так и для практики. С одной стороны, открыт перспективный метод получения новых культурных растений. С другой, продемонстрирован возможный способ естественного видообразования. Растения разных видов в природе нередко срастаются. Из зоны срастания, если очень повезет, может вырасти плодоносящий побег, составленный из аллотетраплоидных клеток. Правда, обычно в такой ситуации получаются в лучшем случае химеры, то есть растения, составленные из смеси клеток с разными геномами. Потомство таких химер немедленно распадается обратно на два родительских вида. Но раз в сто тысяч лет, наверное, может получиться и аллотетраплоидное потомство (к слову заметим, что в опытах лысенковцев это едва ли произошло хоть раз). Важно, что срастаться могут в том числе и виды, дивергировавшие слишком сильно, чтобы скрещиваться обычным путем.

Таким образом, вегетативная гибридизация все-таки возможна — но происходит она не вопреки законам генетики и хромосомной теории наследственности, как утверждали лысенковцы, а в полном соответствии с ними.