Прививки у растений и трансплантация у животных являются одним из методов изучения изменений в проявлении генотипа.
В случае прививок у растений возникают комбинированные организмы с тканями разного происхождения.
Растение, на которое производится прививка, называется подвоем; прививаемую часть растения называют привоем. При срастании тканей растений, относящихся к разным сортам или даже видам и родам, создается комбинированное растение с корневой системой подвоя и кроной привоя. Иногда при этом различные ткани объединяются в одной точке роста, тогда возникают растения-химеры. Прививочные химеры бывают трех типов: периклинальные, секториальные и мериклинальные.
Типы прививочных химер
В химерных организмах клетки разных растений могут быть смешаны, но они не сливаются и каждая дифференцируется в ткань своего растения. Чаще ткани и органы привоя и подвоя морфологически четко различимы.
На основании многолетних исследований И. В. Мичурин показал, что при прививках в зависимости от комбинации прививаемых растений, их возраста и биологии можно изменять свойства физиологические и биохимические, а иногда и морфологические признаки растений, как растения-привоя, так и растения-подвоя.
Растения, измененные в результате прививки и взаимного влияния подвоя и привоя, И. В. Мичурин вслед за Ч. Дарвиным и К. А. Тимирязевым называл прививочными, или «вегетативными гибридами». При этом он писал: «…на основании своих многолетних наблюдений, я категорически утверждаю, что при соединении прививкой частей растений двух различных форм и в особенности двух различных видов или родов растений, за редкими исключениями, почти постоянно наблюдаются явления изменения в строении соединенных частей с доминирующим уклонением в сторону одной из двух соединенных форм…». И. В. Мичурин выяснил условия и разработал методы, при которых наилучшим образом получаются вегетативные гибриды:
«… во-первых… для более полного успеха необходимо брать прививаемую часть в самой ранней стадии жизни растения… во-вторых, подвой должен быть в более старшем возрасте (лучше брать отпрыск от уже давно плодоносящего дерева) и, в-третьих, рядом с развивающимся побегом прививка (т. е. привоя) необходимо оставлять расти значительное количество побегов подвоя для совместного влияния (на более сильное изменение прививка) работы корневой системы и листьев подвоя, убавляя количество листьев прививка. Только при соблюдении этих условий получается хороший результат в деле».
Таким путем И. В. Мичурину удавалось придавать плодовым и ягодным растениям определенные свойства. Базируясь на этом, И. В. Мичурин разработал методы «ментора» и вегетативного сближения для преодоления нескрещиваемости при отдаленной половой гибридизации.
Причины нескрещиваемости могут быть различными. Для тех случаев, когда имеют место физиологическая и цитоплазматическая несовместимости, И. В. Мичурин предложил метод предварительного вегетативного сближения путем прививки. Например, скрещивание рябины с грушей затруднительно. Но когда черенки рябины предварительно были привиты в крону груши и много лет развивались на ней, то в последующем опыление цветков привоя рябины пыльцой груши давало завязывание. По-видимому, пластические вещества груши (подвоя) оказали влияние на физиологические свойства привитой рябины, что могло облегчать последующее скрещивание в силу возросшей совместимости тканей и половых клеток рябины и груши. Этот мичуринский метод успешно используется сейчас в работах по отдаленной гибридизации. Например, в работах
В. Е. Писарева и некоторых зарубежных исследователей с помощью пересадки зародышей семян пшеницы на эндосперм семян ржи была значительно повышена скрещиваемость этих видов.
Разработанный И. В. Мичуриным метод ментора (воспитателя) заключается в том, что путем соответствующей прививки полового гибрида, взятого в качестве привоя, можно изменить доминирование некоторых его свойств в сторону подвоя. Мы знаем, что доминирование сложных свойств, особенно при промежуточном типе их проявления, зависит от условий среды и физиологии организма. Поэтому в случае прививки ментор может направить проявление некоторых свойств гибрида в свою сторону. Эти классические исследования И. В. Мичурина, к сожалению, не подверглись цитофизиологическому и биохимическому анализу, и до сих пор не выяснен тот механизм, который определяет взаимовлияние тканей при прививках.
Методом ментора были улучшены фенотипические свойства гибрида яблонь от скрещивания местной Китайки с крымским сортом Кандиль-Синап. Гибрид F1 уклоняется в сторону южного сорта. Чтобы придать гибриду большую холодостойкость, почка этого гибрида была привита в крону холодостойкого материнского дерева — Китайки. Необходимое изменение было получено, и этот гибрид в последующем дал сорт Кандиль-Китайка, который при вегетативном размножении (прививкой) сохраняет эти качества.
Очевидно, здесь речь идет не об изменении наследственности, а об изменении проявления наследственных свойств гибрида в онтогенезе. Убедиться в том, произошло ли при этом адекватное изменение генов, можно только при скрещивании. Но нужно заметить, что плодовые деревья являются многолетними и имеют сложное гибридное происхождение, поэтому в отношении их данный путь проверки является трудном.
Современная наука позволяет такую проверку производить в культуре растительных тканей, но применительно к прививочным гибридам ее не проводили.
О значении вегетативных гибридов для селекции и практики сельского хозяйства в нашей литературе сложилось неправильное представление. Навязывалось мнение, что этот путь может быть одним из основных в создании сортов растений. Однако метод прививок не был основным при выведении сортов плодовых и ягодных растений и у И. В. Мичурина. Так, в своей работе «Итоги 47-летней работы» И. В. Мичурин писал: «…единственно верным способом в этом деле можно считать выводку из семян для каждой местности своих местных новых сортов плодовых растений, причем для повышения их в качественном отношении необходимо применять гибридизацию…».
Методами ментора и вегетативного сближения при прививках удается добиться лишь того, что «в течение многолетнего формирования строения растения различные факторы изменяют неоднократно уклонения в строении гибрида в ту или другую сторону проявления ген как самих растений — производителей гибрида, так и их ближайших родичей».
Некоторые исследователи под влиянием высказываний Т. Д. Лысенко склонны рассматривать вегетативные гибриды как доказательство направленного изменения наследственности. С таким представлением нельзя согласиться. При прививках, возможно, происходят цитоплазматические изменения, которые могут наследоваться при семенном размножении по типу длительных модификаций.
Очевидно, как это теперь показано, рибосомы и, возможно, другие очень мелкие структурные элементы цитоплазмы, способные к саморепродукции, могут диффундировать через клеточные оболочки, и таким путем может устанавливаться материальная связь между клетками. И прав был И. В. Мичурин, указывая на то, что различною метаболиты (соки) клетки могут изменять химические процессы, приводя к появлению изменений у привоя и подвоя. Однако основной вопрос: могут ли изменяться направленно гены привоя под влиянием метаболитов подвоя — остается открытым. По мере изучения нуклеопротеидов и саморепродукции хромосом, возможно, и откроется путь направленного изменения генов через подстановку определенной цитоплазмы.
При межвидовых и межродовых прививках и при отдаленной половой гибридизации, когда генотип и цитоплазма сильно различаются, может возрастать скорость мутационного процесса. На это указывал еще в 1923 г. И. В. Мичурин: «Вообще гибриды плодовых деревьев и в особенности происшедшие от разных и дальних между собой видов производителей часто дают в первые годы своего плодоношения различные (спортивные) уклонения (соматические мутации) не только на отдельных ветвях кроны дерева, но случалось видеть и целые побеги».
Как уже отмечалось выше, при совместном культивировании разнохромосомных клеток животных в культуре удается получить клетки, совмещающие хромосомные наборы двух разных соматических клеток. В месте прививки образование химерного каллюса часто ведет к росту придаточных побегов, клетки которых, содержат измененное число хромосом — как полиплоидное, так и гетероплоидное. Предполагают, что этому способствует взаимодействие тканей привоя и подвоя. Однако направленного изменения, сохраняющегося в ряду семенных поколений, не установлено.
Пересадка, или трансплантация, тканей у животных принципиально ничем не отличается от прививок растений. Пожалуй, единственное различие между ними сводится к тому, что у растений трансплантация имеет более широкие возможности.
Значение трансплантации в генетическом анализе онтогенеза трудно переоценить. С помощью пересадок решается целый ряд проблем онтогенетики: изучение ранней дифференцировки зародыша, возникновение раковых опухолей и явления иммунитета, а также ряд практических проблем хирургии.
При пересадках тканей и органов главным моментом является совместимость и несовместимость тканей донора и реципиента. Успех трансплантации у млекопитающих, т. е. приживление пересаженной ткани, зависит от типа трансплантации. Типов трансплантации различают несколько.
1. Автотрансплантация — донором и реципиентом является одна и та же особь; приживление обеспечивается на 100%.
2. Изотрансплантация:
- донор и реципиент относятся к одной и той же линии, внутри которой скрещивание велось по системе брат X сестра в течение до 40 поколений (инбредные линии);
- донор и реципиент являются однояйцевыми близнецами; в обоих случаях приживление обеспечивается на 100%.
3. Гомотрансплантация — донор и реципиент являются особями, относящимися к разным инбредным линиям одного и того же вида; приживление не обеспечивается (0%).
4. Гетеротрансплантация — донор и реципиент относятся к разным видам; приживление не обеспечивается (0%).
5. Гибридотрансплантация — донор относится к одной из двух инбредных линий, а реципиент является гибридом первого поколения от скрещивания данной пары линий (термин «гибридотрансплантация» ввел в 1959 г. Н. Н. Медведев). Данный тип трансплантации позволяет в ряде случаев по приживлению анализировать и устанавливать одного из родителей.
Совместимость и несовместимость тканей при пересадках целиком определяется наследственностью донора и реципиента. На примере трансплантации опухолей у мыши еще в 1916 г. К. Литтл и Е. Тиццер сформулировали генетический принцип успеха пересадок, который является общим и для нормальных тканей. Он сводится к тому, что свойство совместимости и несовместимости определяется наследственными факторами, которые в наследовании ведут себя по законам Менделя.
Совместимость и несовместимость являются как бы одной альтернативной парой признаков. Несовместимость вызывается тем, что у рецессивного реципиента образуются антитела, вызываемые антигенами донора, которые определяются доминантным геном. Для приживления пересаженной ткани требуется наличие этого гена у донора и реципиента. Этот ген, локализованный, например, у мышей в IX группе сцепления, назван геном тканевой совместимости и обозначен Н-2 (histocompatibility gene). Теперь оказалось, что данный ген представляет собой серию множественных аллелей, состоящую из 18 аллелей. Кроме этого локуса, сильно влияющего на совместимость тканей, открыты другие гены (Н-1, Н-3 и Н-4) из других групп сцепления, которые хотя и слабее, но также влияют на совместимость тканей.
В качестве примера наследования тканевой совместимости рассмотрим скрещивание, в котором мыши из двух линий № 1 и № 2 отличаются по одному фактору тканевой совместимости. Допустим, что мыши из линии № 1 несут доминантные аллели АА, а № 2 — аа. Если получить от них первое, а затем второе поколения, то наблюдается типичное моногибридное расщепление, а при беккроссе на рецессивного родителя — расщепление 1:1.
Приживление пересаженной ткани, например куска кожи, от мыши из линии № 1 к мыши линии № 2 не происходит, так как для этого требуется доминантный ген А, но у мышей линии № 2 его нет. Если такие же куски кожи от таких же доноров пересадить к мыши F1, то приживление обеспечивается у всех особей. Мыши-реципиенты второго поколения поведут себя двояко: у 75% из них, имеющих доминантный ген тканевой совместимости (АА и Аа) приживление произойдет, а у 25% мышей (с генотипом аа) пересаженная ткань не приживается. Если же подобная пересадка осуществляется мышам из поколения беккросса, то среди них окажется 50% таких особей, у которых кожа донора исходной линии приживается (Аа), а у 50% не приживается (аа). Приведенный пример в равной мере применим для прививки как опухолевых, так и нормальных тканей. Таким образом, доказывается наследственный характер совместимости тканей при пересадках.
Конечно, наследственная детерминация совместимости и несовместимости тканей и характер наследования значительно сложнее, чем в рассмотренном примере, но в принципе они должны быть сходны как внутри одного вида, так и у разных видов животных и человека.
Очевидно, что успехов изучении механизма совместимости и несовместимости зависит от уровня развития как иммунологии, так и генетики.