Сравнительная оценка роли мутаций и рекомбинаций в адаптации растений. Роль мутаций и рекомбинаций в эволюции и особенно в селекции низших и высших организмов существенно различается.
Если у первых мутации играют решающую роль, то у вторых они служат лишь «неорганизованным» исходным материалом, за счет которого в результате рекомбинации создаются наиболее важные для адаптации комбинации генов и блоки коадаптированных генов. Более того, именно благодаря рекомбинации обеспечивается репарация многочисленных постмутационных изменений.
Совершенствование адаптации высших организмов, в том числе и растений, обеспечивается в филогенезе главным образом за счет рекомбиногенеза. Большой геном не может возникнуть без рекомбинаций и правки ошибок, а последние, в свою очередь, невозможны без большого генома. Рекомбинации 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.
Спор о том, что важнее для естественного и искусственного отбора высших организмов, в том числе растений, — мутации или рекомбинации, относится к «битвам прошлых поколений». 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 и доступной отбору изменчивости), включая трансгрессии по количественным признакам и по их сочетанию, аномальную изменчивость, интрогрессивные типы и т. д.
Признание первостепенной роли рекомбинаций в естественной эволюции и селекции растений, особенно с точки зрения создания адаптивных форм, нисколько не умаляет тот факт, что рекомбинационная генетическая изменчивость всецело ограничена изменчивостью аллелей, т. е. мутациями, являющимися изначальным источником всей генетической изменчивости. Эволюция вила должна постоянно «подпитываться» новыми генами, обусловленными мутациями; иначе она прекратится. Stebbins (1959) образно сравнивает мутации с бензином, рекомбинации — с мотором, необходимыми для движения автомобиля, а отбор — с водителем.
Считается, что рекомбинация ускоряет эволюцию, поскольку позволяет мутациям, первоначально возникающим у разных особей, комбинироваться в потомстве. Именно благодаря рекомбинациям появляются новые нормы реакции, в которых свойства отдельных мутаций коренным образом преобразовываются. В отсутствие рекомбинации в популяции происходит быстрое накопление числа вредных мутаций (мутационный груз) — механизм «храповика». При этом зоны генома, где рекомбинация по каким-либо причинам блокирована у всех особей популяции, могут стать генетически инертными за счет накопления вредных мутаций. В целом рекомбинация у высших организмов, по сравнению с мутационным процессом, создает большое число и с большей скоростью новые адаптивные формы, т. е. является основным источником доступной отбору адаптивно значимой генотипической изменчивости.
Взаимодействие мутаций как источника первичных генетических изменений, преобразуемых в адаптивно значимые комплексы генов, с рекомбинациями, обеспечивающими ни преобразования (функция 1) и формирование дупликаций (функция 2), составляет основное содержание процесса генерации генетической изменчивости. Обе отмеченные выше функции рекомбинации одинаково важны, но в разной степени изучены. Хотя исследование преобразований исходных сочетаний генов в новые в процессе комбинативной изменчивости (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. Множество предполагаемых мутаций (как впрочем, и так называемых мутантных сортов) на самом деле могут быть результатом рекомбиногенеза. 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, делециям и т. д.
В целом в синтетической теории эволюции рекомбинации и мутации рассматриваются как единый поток генотипической изменчивости. Однако очевидно, что в решении практических задач селекции культурных растений рекомбинационной изменчивости принадлежит ведущая роль.
Изменчивость частоты и распределения кроссоверных обменов. Частота кроссинговера относится к числу наиболее изменчивых биологических показателей. Так, коэффициент вариации (СУ) для одиночных обменов изменяется в диапазоне от 18 до 50 %, а для двойных — от 67 до 110 %, причем относительная изменчивость rf увеличивается с уменьшением вероятности обменов (как одиночных, так и двойных). Существенная вариабельность отмечается также по частоте и (или) распределению хиазм. Так, высокозначимые различия по частоте хиазм были обнаружены между инбредными линиями ржи, а для кукурузы и ржи установлено уменьшение частоты хиазм при инбридинге. И все же оценки частоты кроссоверов между маркерными локусами, а также частоты и распределения хиазм остаются наиболее широко используемыми и доступными цитогенетическими характеристиками наследуемых и экологически зависимых различий по частоте и распределению кроссоверных обменов в хромосомах.
Сцепление и коадаптация генетического материала. Естественный отбор благоприятствует модификаторам, уменьшающим частоту рекомбинации между коадаптированными генами. Интеграция целых генных систем в процессе эволюции и их роль в адаптации организмов впервые экспериментально была показана Дубининым (1948). Объединение функционально связанных генов адаптации в коадаптированные блоки, в том числе супергены или кластеры, а также особенности взаимосвязи генетических программ онтогенетической и филогенетической адаптации и, прежде всего, «буферирующая» роль онтогенетической адаптации гетерозигот позволяют виду неопределенно долго сохранять в целости особо ценные блоки генов.
Сцепление между генами, расположенными в одной хромосоме (внутрихромосомное сцепление), в значительной степени уменьшает, а иногда полностью исключает возможность рекомбинаций. Многочисленными исследованиями выявлено, что хромосомы и плечи хромосом являются гораздо более постоянными структурами, чем это представлялось ранее. В результате некоторые хромосомы или их сегменты проходят через стадию мейоза из поколения в поколение практически без изменений.
Различные гены, контролирующие одни и те же или аналогичные признаки, могут быть сгруппированы вместе, что показано на томате, кукурузе и других объектах. Гены, контролирующие устойчивость диких видов растений к болезням и представляющие особенно большую ценность в селекции, также имеют тенденцию концентрироваться в определенных зонах хромосом, образуя блоки тесно сцепленных генов-изофенов с одинаковыми фенотипическими проявлениями. Считается, что в такие блоки могут объединяться гены либо контролирующие комплексную устойчивость к разным заболеваниям, либо, наоборот, обусловливающие отрицательную генотипическую корреляцию между ними. Причем гены, детерминирующие большую приспособленность растений к неблагоприятным абиотическим факторам внешней среды, нередко тесно сцеплены с генами, контролирующими устойчивость растений к действию биотических стрессоров. И все же сцепление между различными адаптивно значимыми и хозяйственно-ценными признаками, хотя и оказывается довольно сильным, не является абсолютным.
Одной из форм коадаптации генов являются супергены, т. е. группы сцепленных генов. К признакам, контролируемым супергенами, относится, например, гетеростилия, обнаруженная у видов, принадлежащих к более чем 50 родам 18 семейств цветковых растений. Система регуляции рекомбинации канализирует распределение обменов таким образом, что кроссинговер в пределах указанного блока генов наблюдается очень редко.
Группы тесно сцепленных функционально родственных генов (кластеров) известны практически для каждого типически изученного вида высших растений. Гак, у диплоидного хлопчатника это два локуса окраски основания лепестков (G-g, S-s); сцепление между ними столь тесное, что дигетерозиготы GS/gs обычно дают при самоопылении соотношение 3:1. У кукурузы локус Tu (tunicate) состоит из двух субъединиц (т. е. является компаундом), которые можно разъединить и вновь соединить.
Хотя в большинстве случаев гены разных хромосом подчиняются закону независимого наследования, имеются данные, указывающие на возможность нарушения независимости сегрегации маркеров негомологичных хромосом, г. е. квазисцепления. Подобные сведения получены для хлопчатника, томата и других объектов. Результаты специально проведенных опытов подтвердили не только само явление квазисцепления, но и возможность его индуцированной модификации.
Мейотический драйв — один из важных и довольно распространенных типов ограничения рекомбинации. Этим термином обозначают ситуации, когда соотношение гамет, продуцируемых гетерозиготой, отклоняется от 1:1 в результате специфического прохождения мейоза. Основное отличие мейотического драйва от отбора гамет состоит в том, что при мейотическом драйве изменение соотношения функциональных гамет предположительно связано не с генетическим содержанием самих гамет, а с генотипом гетерозиготы. Это явление обнаружено у кукурузы, пшеницы, табака, риса, хлопчатника, томата, арабидопсиса и др.
Таким образом, организация генетического материала в хромосомах и в геноме служит мощным механизмом сохранения определенных комбинаций генов, а интегрированные (коадаптированные) генные комплексы представляют собой пример интеграции как на хромосомном, так и на субхромосомном уровнях. Причем тесное сцепление часто является предпосылкой для улучшения приспособленности популяций, а сам факт существования генетического гомеостаза указывает на организацию генов в виде коадаптированных систем.
Большинство жизненно важных адаптивных реакций высших растений (потенциальная продуктивность, экологическая устойчивость, способ размножения и др.) контролируется именно коадаптированными блоками генов, обусловливающих в конечном счете высокий уровень онтогенетической и филогенетической адаптивности. При этом характерны кумулятивный и бикомпенсаторный эффекты интегрированности генома, что позволяет многим видам без резкого увеличения сложности адаптивных реакций достигать максимальной приспособленности в онтогенезе и сохранять генетическую гибкость в ряду поколений при наиболее рациональном использовании видового потенциала генотипической изменчивости.
Переход от низших организмов к высшим сопряжен со значительным уменьшением частоты кроссинговера на единицу длины ДНК, а наибольшая приспособленность популяции в сравнительно постоянных условиях среды достигается при невысоком уровне рекомбинации генов в наиболее адаптивно важных зонах генома. Такое направление эволюции функций рекомбинационных систем позволяет не только сохранить соответствующие блоки коадаптированных генов, но и значительно снизить гибель особей, биологическая ценность каждой из которых у высших организмов по сравнению с простейшими значительно выше, а улучшение адаптации к среде существенно зависит от индивидуальной приспособленности и большей фенотипической пластичности. С усложнением организации организмов увеличивается роль канализирующего влияния их внутренней «конструкции» в реализации потенциальной генотипической изменчивости, все сильнее проявляются ее неслучайность, детерминируемая сложными системами прямых и обратных связей. В итоге обеспечивается снижение общих потерь биологического материала в процессе эволюции.
Разумеется, «канализированность» генотипической изменчивости и «консерватизм» генетической системы вида весьма относительны в естественной эволюции, но они оказываются существенными в селекции. Причем сцепление между локусами, как и другие системы коадаптации, могут быть полезными или вредными в решении селекционных задач. И все же, как правило, они затрудняют получение нужных рекомбинантов, особенно при межвидовой гибридизации.
Характер распределения кроссоверных обменов по длине хромосомы и геному. Неслучайность распределения кроссинговера по длине хромосом обнаружена у многих организмов. Сложилось даже мнение о том, что хромосома представляет собой интегрированное целое, в котором генетические единицы с взаимосвязанными функциями в общей клеточной активности определенным образом сгруппированы. Частота кроссинговера в каждой конкретной зоне хромосомы определяется ее структурой и является функцией физического расстояния между генами. При этом инверсии снижают или даже подавляют рекомбинацию на участках, которые гетерозиготны по этим структурным изменениям; в зонах хромосом, близких к точке разрыва, заметно снижается частота кроссоверов.
Интерференция (положительная и отрицательная) является одним из существенных факторов, обусловливающих неслучайное распределение рекомбинационных событий в геноме. И хотя ее механизм окончательно не выяснен, наиболее вероятным считается ограничение участия в конъюгации. Обнаружена также зависимость частоты рекомбинации от расположения центромерного и интеркалярного гетерохроматина. О неслучайном характере участия хромосом в образовании бивалентов и распределении хиазм по длине бивалента свидетельствует большое число цитологических наблюдений.
Среди механизмов, которые могут быть причиной неслучайного распределения кроссоверных обменов, отмстим следующие:
- специфическое расположение в хромосоме зон замедленного синтеза ДНК, определяющих участки, вовлекаемые в центральную зону СК;
- распределение потенциальных сайтов пикообразования;
- особенности организации хромосомы в отношении генетической активности, определяющей эффективность гамет при оплодотворении;
- дифференциальная жизнеспособность гамет и зигот.
И хотя данные, полученные в области молекулярной биологии относительно семейств повторяющихся последовательностей ДНК и перемещающихся генетических элементов, создают в совокупности образ динамического генома, это не противоречит представлениям о неслучайном характере распределения кроссоверных обменов по длине хромосом и геному в целом.
Обычно компенсаторное изменение частоты кроссинговера происходит и в плюс — и в минус-направлениях в проксимальной и дистальной зонах хромосомы. Частоты кроссинговера в разных хромосомах генома могут находиться в коррелятивных связях (положительных или отрицательных) или быть независимыми. Однако механизмы межхромосомного влияния (инверсий, транслокаций, транспозиций и др.) на рекомбинацию и конверсию остаются пока неизвестными. И все же, какими бы ни были механизмы концентрации генов в определенных зонах хромосом, их неслучайное распределение следует учитывать при формировании селекционно-генетических программ.