Сущность и значение генетики растений

Эволюция идей и понятий общей генетики блестяще изложена в замечательной книге М.Д. Голубовского. Если бы сегодня были справедливы слова Жака Моно: «...что верно для бактерии, то верно для слона», популярные у некоторой части биологов в 60-е гг., то не было бы никакой необходимости специально рассматривать эволюцию генетики растений. Однако с 70-х гг., «когда молекулярные исследования поднялись на новую ступень, максиму Ж. Моно следовало бы изменить так: что верно для бактерий, неверно даже для дрожжей». Тем более это может быть неверно для растений.

Сегодня мы знаем глобальную биосферную значимость растительного покрова Земли: за год зеленые растения суши накапливают более 180 млрд тонн биомассы.

Экономика сельского хозяйства использует всего 6% от общей биомассы. В пищу идет 1/3 этой продукции, другие 2/3 несъедобны (корни, ботва, листья, стебли). Из этой пищевой трети 50% теряется из-за отрицательных экологических воздействий и отходов переработки. Человечество потребляет в качестве пищи лишь около 1% биомассы, продуцируемой растениями на Земле.

Растения обладают множеством специфических особенностей, которые присущи только им и отсутствуют у других живых организмов. Рассмотрим некоторые из них.

1. Невозможность использования понятия «индивидуум» в применении к растениям. В сводке Б.М. Козо-Полянского представлены дискуссии на эту тему в истории науки о растениях. Для растений, обладающих метамерной структурой, принято считать истинным индивидуумом фитон - междоузлие с листом, в пазухе которого находится почка. Что считать индивидуумом у пшеницы — главный колос с соломиной, или все колосоносные стебли в совокупности, или весь куст, включая стебли без колосьев? При малом запасе влаги в почве и при густом посеве пшеница не кустится, растение превращается в «однобылку», т.е. имеет один стебель и один колос. Часто у многих древесных видов старые особи превращаются в совокупность независимых ортостих — живых тяжей на мертвом стволе дерева, каждый тяж со своим сектором корней и сектором ветвей, они аб -солютно независимы друг от друга. Это уже не одна особь, а несколько. И сегодня проблема «что такое истинный индивидуум у растений» волнует ботаников и генетиков. Совершенно правы С.И. Малецкий и С.С. Юданова, обозначая растительную особь термином «мультивидуум».

2. Сила конкурентных отношений в фитоценозах. Растение пшеницы, растущее в 2 метрах от соседей, обильно кустится и может дать до 3000 зерен. В производственном агрофитоценозе (в поле) оно обычно дает 30—40 зерен. Конкуренция между растениями внутри посева за элементы питания (включая конкуренцию за свет) способна снизить экспрессию любого структурного гена в 50—100 раз, чего в принципе не может быть у животных. Кроме того, «животные в наземной среде обитания не столь тесно связаны между собой, как растения. Прямых связей между животными (хищничество, паразитизм, симбиоз) на суше значительно меньше, чем их прямых связей с растениями. В наземных природных системах животные (консументы) составляют лишь 0,1% (одну тысячную долю) всей биомассы».

3. Симбиотическая природа растительной клетки — исторически возникшее сожительство одноклеточных водорослей (хлоропласты), энергетических органелл с собственным геномом (митохондрии), мобильных элементов (вирусы, эписомы, плазмиды).

4. Отсутствие у растений систем внутренней терморегуляции, что приводит к значительно большей зависимости процессов их роста и развития от колебаний температуры и других лимитирующих условий (лим-факторов) среды (максимальное «единство организма и среды»).

5. Растения имеют более мелкие гены по сравнению с животными и человеком. В журнале "Science" от 5 апреля 2002 г. отмечено, что в геноме риса имеется от 45 до 56 тысяч генов со средним размером каждого в 4,5 тысячи пар оснований. Число генов человека - 24 847. Длина каждого из генов человека в среднем в 18 раз больше рисового (около 72 тысяч пар оснований). Это очень серьезные различия.

6. Высшие растения постоянно и жестко прикреплены к месту произрастания и не могут, подобно животным, передвинуться в более комфортную микронишу обитания.

7. Только среди зеленых растений существует жесткая конкуренция за свет, в результате которой, например, из 10 000 молодых сосенок на гектаре к возрасту спелости леса (70-80 лет) доживают только 200-300 деревьев, т.е. число растений уменьшается в 30-50 раз.

8. Высшие растения имеют огромную амплитуду модификационной и эпигенетической изменчивости количественных признаков (она обычно составляет в популяциях 85-90%, при этом генотипическая -10-15%). Е.Н. Синская и позднее С.Г. Инге-Вечтомов особо подчеркивали, что существенной проблемой в генетике является дефицит знаний о природе модификаций.

В 1865 г. любитель ботаники из г. Брюнн (Брно) в Австро-Венгрии Г. Мендель опубликовал свои наблюдения над растительными гибридами. В 1900 г. три крупных ботаника (Г. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак) вторично открыли «правила наследования» Г. Менделя, и с этого времени начинается бурное развитие новой науки - генетики. С момента своего зарождения генетика была (и во многом остается сейчас) феноменологической наукой в биологии, подобно другой феноменологической науке - термодинамике в физике.

Генетика традиционно оперировала понятиями, отстоящими довольно далеко от биохимических и молекулярных механизмов наследственной передачи и наследственного осуществления (реализации) процесса онтогенеза. Такие понятия классической генетики как «ген», «аллель», «мутация», «доминирование», «сверхдоминирование», «эпистаз», «пенетрантность» и «экспрессивность» гена, «генетические корреляции», «наследуемость», «гетерозис», «плейотропия» и многие другие абсолютно феноменологичны, и, несмотря на бурное развитие «механизменных» ветвей генетики - молекулярной, биохимической, физиологической, интимные механизмы явлений, обозначенных этими понятиями, остаются неизвестными до сих пор. Поэтому вопрос: «что есть ген?», возникший в 1905 г. (что такое «фактор», «зачаток» Г. Менделя?) актуален и поныне и, по мнению В.С. Баранова и др., «даже полное секвенирование ДНК геномов вовсе не снимает вопроса - «что есть ген?».

Сегодня мы знаем, что первый (низший) уровень организации наследственности — структура ДНК, открытая в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком и немедленно превращенная в идеализированную для посвященных икону, управляет отнюдь не всеми признаками и свойствами организма. Е.Д. Свердлов пишет: «Учебники рассматривают процесс репликации ДНК как систематическое движение ДНК-полимеразы вдоль одной линейной цепи ДНК, выстроенной подобно линии железной дороги. То же самое относится и к транскрипции, осуществляемой РНК-полимеразой. Создается впечатление, что геном - это открытая книга, готовая для чтения. Однако это не так. Книга закрыта, запечатана и запакована. Более того, все записано не просто на страницах этой книги. Функционирование ДНК зависит от многоступенчатой передачи информации разного рода. Оно не самым простым образом связано с ее последовательностью».

Следующий уровень организации наследственного материала - хромосомы. «Не надо думать, что этот клубок может быть понят на основе идеальной двойной спирали». С.А. Лавров и Е.В. Мавродиев подчеркивают: «Веществом наследственности у эукариот является не ДНК как таковая, а хроматин - сложный комплекс ДНК и ряда белков, в числе которых гистоны и их аналоги - негистоновые хроматиновые белки, а также факультативные составляющие - транскрипционные факторы и компоненты систем транскрипции, репликации ДНК и репарации (субъединицы РНК и ДНК-полимераз, компоненты кинетохора, топоизомеразы, теломеразы, белки ядерной оболочки и многие другие (в хромосоме белков в два раза больше, чем ДНК - В.Д.). Основной структурный элемент хроматина всех эукариотнуклеосома. Это комплекс из восьми гистонов - по две молекулы четырех различных типов. Гистоны формируют глобулярную структуру (кор), на которую «намотана» ДНК, примерно 140 пар нуклеотидов (или 1,7 оборота) на нуклеосому.

На уровне хромосом работают системы дифференциальной активности генов в онтогенезе, экологически индуцируемые гены (белки теплового, холо-дового и других шоков), ацетилирование гистонов, регулирующие время цветения и другие эпигенетические процессы, обеспечивающие онтогенез.

Третий уровень организации наследственности -эпигенетический. Впервые у растений эпигенные (наследуемые в половом потомстве) переключения морфогенеза с одной программы развития на другую при воздействии факторами среды (генотрофы) открыл Алан Даррент, работая с чистыми линиями льна, у пшеницы никотинотрофы получила и исследовала Е.Д. Богданова. Теорию эпигенов для фагов и вирусов создал Р. Чураев, он же построил модель искусственного эпигена. В 2005 г. вышли две замечательные коллективные монографии:

1) «Эпигенетика растений» - сборник, составленный С.И. Малецким и Е.В. Левитесом

2) «Эпигенетика растений», изданная П. Мейером. Эпигенетические феномены (дословный перевод - «реализационные, надгенетические», т.е. часто не зависящие от генотипа) чрезвычайно широко распространены в мире растений. Это - миксоплоидия, геномный импринтинг, яровизация, эпигенетический контроль экспрессии генов и многие другие явления.

Б.Ф. Ванюшин подчеркивает: «Нельзя забывать, что у организмов существуют мощные регуляторные элементы (в геноме и на уровне клетки), которые контролируют работу генов. Эти сигналы накладываются на генетику и часто по-своему решают «быть или не быть». Даже самая отличная генетика может вовсе не реализоваться, если эпигенетика будет неблагополучной. По образному выражению П. и Д. Медаваров — «генетика предполагает, а эпи-генетика располагает».

Уникальное открытие асимметричной изменчивости было сделано Б.Л. Астауровым в конце 1920-х гг. при анализе наследования гомеозисной мутации tetraptera у Drosophila melanogaster. По мнению С.А. Малецкого, впервые описавшего геометрические свойства наследственности и изменчивости у растений, это открытие по своей всеобщей значимости для теории наследственности вполне со -поставимо с открытием правил (законов) Г. Менделя по наследованию альтернативных признаков у растений. Соратник Б.Л. Астаурова В.А. Струнников назвал этот феномен «Третья изменчивость» (вслед за генетической и экологической изменчивостями.

Флуктуирующая асимметрия (ФА) — это изменчивость, которая не зависит от генотипа особей и от вариаций природных факторов среды. Б.Л. Астау-ров однозначно подчеркнул: «...не может возникнуть никаких сомнений в том, что генотипическая структура обеих половинок одной и той же особи одинакова; в то же время трудно предположить, что различные стороны одной и той же особи вполне независимо друг от друга испытывают влияние каких-то обусловливающих проявление их различий внешних условий». И далее: «Мы видим, что явление, воспринятое нами на примере геновариации tetraptera как исключительное, представляет собой лишь бьющий в глаза демонстративный пример очень широко распространенной закономерности. Парадоксальность того, что "правая сторона не ведает, что творит левая", несколько уменьшается в наших глазах». «Здесь мы воочию видим, как зыбки такие свойства живых существ как наследственность, симметрия, точная регуляция онтогенетических процессов, свойства, которые мы нередко склонны воспринимать как неотъемлемые атрибуты органического мира». А.Г. Васильев в своей книге разъясняет: «Проявление реализационной изменчивости (формирующей ФА — В.Д.), которая не связана ни с генотипом, ни с условиями внешней среды, обусловлено механикой развития. Данное явление прямо указывает на отсутствие однозначной связи между генами. и дискретными вариациями признаков и хорошо согласуется с представлениями о существовании эпигенетической системы, которая порождает такого рода внутрииндивидуальную изменчивость».

По-видимому, можно считать ФА особым эпигенетическим феноменом, определяющим морфогенные признаки индивидов, поскольку он не является типичным эпигенным явлением типа генотрофов или никотинотрофов.

 

1.2 Эволюция парадигм и понятий генетики

 

Рассмотрим извилистый путь возникновения и развития понятия «ген» и парадигмы Менделя, которая сегодня доминирует в умах большинства генетиков мира.

М.Д. Голубовский цитирует А.А. Любищева, обнаружившего в двух изданиях книги В. Иогансена (автора понятия «ген») две диаметрально противоположные точки зрения. В книге 1909 г. В. Иогансен пишет: «Слово ген свободно от всякой гипотезы; но выражает лишь тот твердо установленный факт, что многие особенности организма обусловлены особыми, находящимися в гаметах отделимыми и потому самостоятельными "состояниями", "основами", "зачатками" - короче тем, что мы именно будем называть генами. Каждая особенность, в основе которой лежит ген, особый ген, может быть названа единичной особенностью».

Через четыре года в той же книге и в том же месте второго издания В. Иогансен пишет: «Мы ни в коем случае не должны себе представлять, что отдельному гену (или особому виду генов) соответствует отдельная особенность, "единичная особенность", или "признак", как любят выражаться морфологи. Подобное ранее распространенное представление должно быть обозначено не только как наивное, но и как совершенно ложное. В действительности все реализованные признаки являются реакциями всей конституции данной зиготы».

И в настоящее время проблема отношений «гены -признаки» достаточно далека от строгого количественного решения. В довоенные годы и в наши дни мы видим повторение дискуссий, происходивших сразу же после 1900 г. Так, Н.И. Вавилов писал: «Учение о корреляциях исчезает из селекционных руководств, как устаревшее и опровергнутое. Генетическая, а за ней и селекционная мысль под влиянием менделизма устремляется к упрощенному пониманию организма как мозаики признаков, в которой можно заменять одни звенья другими». И далее: «Французский генетик Бларингэм сравнивает растительный организм с мозаикой, в которой можно заменять одни звенья другими. Отражение этих представлений можно найти и у советских генетиков (Н.К. Кольцов, А.С. Серебровский). Выведение сортов и пород представляется сравнительно простым делом. Устремление к схематизации, к упрощению явлений доходит до крайности». Далее: «Харланд стал объяснять поведение количественных признаков, например длины волокна хлопчатника, действием десятков и даже сотен однозначных факторов, сводя генетические исследования к формальной эквилибристике». И далее Н.И. Вавилов предлагает мудрый путь развития теории селекции: «Необходимо подходить к организму с учетом всей сложности комплекса признаков и свойств органов и их функций, их взаимоотношения со средой в развитии».

А.А. Жученко подчеркивает: «Характерной особенностью адаптивных реакций в онтогенезе у высших эукариот является их интегрированность вследствие функциональной коадаптации генетического материала в виде блоков коадаптированных генов, что опровергает представление о геноме как о «мешке с бобами» и об адаптивных реакциях целостного организма как о «реестре» отдельных признаков».

«Менделевский ритуал» (по Т.Г. Моргану) породил прочную и долгоживущую парадигму: «ген детерминирует признак», т.е. ген - первопричина, признак

— следствие «диктаторского приказа» этого гена. Путь от гена к признаку однозначен (подобен колее железной дороги, по которой катится штабной вагон с офицером, везущим приказ о том, каким должен быть признак). Эта колея, приказ и признак никак не зависят от флуктуаций факторов среды, поэтому расщепление 3:1 должно быть тем же самым в любой географической точке планеты. Распространенное в наши дни понятие «блоки коадаптированных генов», как и понятие «ген», полностью находится внутри парадигмы Г. Менделя.

Любимое понятие морфологов «признак» (по В. Иогансену) было подхвачено генетиками, и признаками стали называть любые свойства растений — от элементарных менделевских признаков, детерминируемых «большими» генами, до очень сложных системных свойств — компонент продуктивности и урожая. Если генетик на фоне засухи обнаруживал два сорта

— засухоустойчивый и не засухоустойчивый, то, не задумываясь ни на секунду, он в соответствии с парадигмой Г. Менделя, пытаясь определить генетику «признака» «засухоустойчивость», скрещивал сорта и в F2 пытался найти менделевское расщепление. Обнаружив вместо гистограммы расщепления кривую нормального распределения, генетик (абсолютно не сомневаясь в парадигме Г. Менделя) выдвигал гипотезу множества «малых» генов, т.е. гипотезу полигении, хотя, конечно, существуют другие механизмы, которые могут привести к нормальному распределению (один из них будет показан ниже).

Начиная с 1900 гг. параллельно классическому «менделевскому ритуалу» начинает развиваться генетика количественных признаков, поскольку генетики и селекционеры понимали, что создание мощной теории селекции без методов генетического управления сложными свойствами продуктивности невозможно.

Парадигма Г. Менделя в этом подходе слегка ослабла - была введена экологическая дисперсия признака, т.е. был сделан маленький шажок в сторону изучения вариабельности среды - в остальном парадигма полностью сохранилась: термин «генетика» означал, что сложные, экономически важные свойства будут анализироваться тем же методом скрещива -ния и наблюдением за поведением «признаков» в F2, при этом признаки будут «количественными», т.е. мерными или счетными (при этом никто не обращал внимания на такие «мелочи» как: число рук или ног у человека - явно счетный признак, но ведь его невозможно изучать методами «генетики количественных признаков» (устное замечание М.Д. Голубовского)).

Теория и метод диаллельного анализа по Б. Хейману с 1958 г. стал повсеместно распространенным методом генетического анализа количественных признаков растений, т.е. качественные признаки анализировались по Г. Менделю, а количественные - по Б. Хейману (заметим, что термин «диаллельный» не имеет отношения к «двум аллелям», он происходит из греческого языка и означает «каждый с каждым»). Все математические параметры метода Б. Хеймана были созданы на основе парадигмы Г. Менделя и понятиях доминантности, рецессивности, числа генов, детерминирующих признак, и др. Алгоритмы Б. Хеймана в соответствии с парадигмой Г. Менделя не требовали отслеживания динамики лимитирующих рост растений факторов среды по фазам онтогенеза и тем более суточной динамики этих факторов.

Очевидные факты сильной зависимости уровня развития количественных признаков растений от лимитов внешней среды и смена рангов генотипов по продуктивности от среды к среде так мешали внедрению стройной логики менделизма в генетику количественных признаков, что пришлось создать отдельную проблему - «взаимодействие генотип - среда» (ВГС), при этом отодвинув ее подальше от собственно методов генетического анализа. До настоящего времени ни в классической, ни в биометрической, ни в молекулярной генетиках не существует ни одной гипотезы о механизме феномена ВГС, который в селекции растений на продуктивность и урожай является главным фактором повышения урожаев.

Бурное развитие с 1953 г. молекулярной генетики породило у генетиков убежденность в том, что вот теперь можно отбросить призыв Т.Г. Моргана не забывать о гипотетической природе генов - поскольку феноменологическое понятие «ген» приобрело облик конкретной молекулярной структуры, и, хотя сейчас путь от генов до сложных признаков столь же неясен, как и прежде, многие уверены, что в скором будущем комбинирование генов «инженерными» методами позволит легко решать любые проблемы селекции.

На сегодняшний день мы имеем следующую не очень оптимистичную картину. «Из более чем 50 тысяч генов в геномах лишь у некоторых видов изучены и локализованы в хромосомах 200—300 менделевских генов (0,5% от всех генов генома среднего размера — В.Д.). Большинство адаптивно и хозяйственно значимых полигенных признаков остаются генетически не идентифицированными».

 «Генетики за 147 лет существования своей науки так и не обнаружили специфических генов продуктивности, величины урожая, горизонтального иммунитета, гомеостаза урожая (пластичности сорта), гетерозиса, засухо-, зимо-, жаро-, холодоустойчивости и т.п., не локализовали их, не выделили, не клонировали, не секвенировали и не определили их продукты».

Причины этого объяснил крупнейший молекулярный генетик Гюнтер Стент еще в 1974 г.: «Поиски молекулярного объяснения сознания являются напрасной тратой времени, поскольку физиологические процессы, ответственные за это ощущение, задолго до того, как будет достигнут молекулярный уровень, распадутся до ординарных рабочих реакций, не более или менее удивительных, чем процессы, происходящие, например, в печени». Сознание — это эмерджентное (заново возникающее) свойство, как и ВГС. Их невозможно изучать на молекулярном уровне, там их просто нет. ВГС возникает на высоких уровнях организации жизни — организменном, популяционном, экологическом, фитоценотическом.

Н.И. Вавилов еще в 1935 г. предвидел возможное будущее несоответствие парадигмы Г. Менделя по отношению к «устройству» количественных признаков. Он писал: «Мы не будем удивлены, если основательное изучение наследственности количественных признаков приведет к коренной ревизии упрощенных менделистических представлений». С 1984 по 2012 гг. МЭГОКП последовательно развивалась, из нее появлялись сначала теоретические следствия, затем они проверялись экспериментально на разных объектах. К 2012 г. были исследованы 24 селекционно значимых следствия модели, 14 из них ликвидировали «пропасти» между генетикой и селекцией, о которых писал Н.И. Вавилов в 1935 г.: «Между генетикой и практической селекцией действительность вырыла глубокую пропасть».