Исследование № 32
Новые виды можно создавать при помощи переноса целых геномов
Межвидовая гибридизация иногда может, как мы видели, давать начало новым видам. Основная трудность здесь в том, что половое размножение предусматривает спаривание гомологичных хромосом, а у представителей разных видов хромосомы уже не очень похожи. Поэтому их спаривание может быть затруднено, а это ведет к пониженной плодовитости или бесплодию гибридов. Растениям эту проблему обойти несколько проще, чем животным, поскольку растения легче переносят полиплоидизацию – умножение числа хромосомных наборов в клетке. Немецкие и польские биологи экспериментально продемонстрировали оригинальный способ гибридного видообразования, основанный на том, что между клетками привоя и подвоя может происходить горизонтальный перенос ядерных геномов. Прививая друг на друга обыкновенный табак (Nicotiana tabacum) и табачное дерево (N. glauca), удалось получить клетки, содержащие в одном ядре оба диплоидных хромосомных набора родительских видов. Из этих клеток были выращены полноценные растения, сочетающие признаки обоих родителей и производящие жизнеспособные семена. По формальным критериям эти растения заслуживают выделения в особый вид, получивший название Nicotiana tabauca.
Аллополиплоидизация (объединение геномов двух родительских видов) – один из самых простых и быстрых способов видообразования. Так возникли многие виды и сорта растений – как диких, так и культурных. Впрочем, простота относительна. Сначала должно произойти межвидовое скрещивание: половые клетки (гаметы) двух родительских видов должны слиться, образовав зиготу с двумя гаплоидными родительскими наборами хромосом (такую клетку называют 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 случайно не произойдет полногеномная дупликация, то есть удвоение всего химерного генома. Тогда получится аллотетраплоид, 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.
Альтернативным способом видообразования могло бы стать объединение ядерных геномов двух вегетативных (то есть обычных, не половых) 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. Однако в ходе многолетних исследований ничего подобного не обнаружилось, и поэтому идея “вегетативной гибридизации” (сторонником которой был, в частности, Т. Д. Лысенко) стала считаться безнадежно скомпрометированной.
Однако в биологии очень четко действует правило “никогда ни говори «никогда»”. В 2009 году Сандра Штегеманн и Ральф Бок из Института молекулярной физиологии растений общества Макса Планка (Германия) 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. Заметим, что речь здесь не идет о реабилитации лысенковских идей, 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 2014 году Штегеманн и Бок совместно с немецкими и польскими коллегами продемонстрировали, что между клетками сросшихся растений изредка 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, появившихся в зоне срастания привоя и подвоя (Fuentes et al., 2014).
Сначала ученые 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 на основание другого. Затем из зоны срастания брали делящиеся клетки 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 было получено 29 колоний устойчивых клеток. Из этих колоний были выращены полноценные растения, в геноме которых содержались оба гена устойчивости. Значит, горизонтальный перенос ядерных генов действительно произошел.
Теперь нужно было выяснить, имела ли место передача отдельных генов или целых геномов. Гибридные растения оказались фертильными (способными дать потомство): 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 (такое часто бывает при полиплоидизации). 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. Этот вывод был подтвержден несколькими независимыми методами.
Исследователи не остановились на достигнутом и перешли к экспериментам по межвидовой гибридизации. Они сращивали обыкновенный табак (N. tabacum), снабженный геном устойчивости к гигромицину, с табачным деревом (N. glauca), в геном которого был внедрен ген устойчивости к канамицину. Эти два вида могут скрещиваться обычным путем, но гибриды получаются бесплодные.
Действуя по той же методике, ученые 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. tabacum и N. glauca (илл. X, см. цветную вклейку). В лаборатории они росли быстрее обоих родительских видов. Это значит, что в определенных условиях они способны конкурировать с предковыми растениями.
Гибриды оказались фертильными, 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, исследователи решили, что гибридные растения удовлетворяют всем критериям нового вида. И даже присвоили ему латинское название: Nicotiana tabauca.
Этот результат важен 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 побег с почками, состоящий из аллотетраплоидных клеток. Правда, обычно в подобной 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, в опытах лысенковцев это едва ли произошло хоть однажды). 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.
