Партеногенез и полиплоидия в эволюции животных | Журнал Природа 6/1971 17.05.1971

Академик Б.Д. Астауров

Борис Львович Астауров, директор Института биологии развитии АН СССР. Цитогенетик, эмбриолог. Ученик Н. К. Кольцова, С. С. Четверикова и Д. П. Филатова. Основные работы посвящены проблемам наследственности и онтогенеза. Президент Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н. И. Вавилова, член-корреспондент Американского общества зоологов и других научных обществ. Награжден золотой медалью им. М. И. Мечникова 1970 за выдающиеся работы в области экспериментальной генетики и биологии развития.

Хорошо известен резкий контраст между высокой частотой полиплоидных видов среди высших растений и их крайней редкостью у бисексуально размножающихся животных.

В то время как у растений полиплоидия совсем не редкость, широчайшим образом распространена в природе, без труда достигается экспериментально и играет огромную роль в происхождении видов и в выведении культурных сортов, полиплоидия у животных встречается крайне редко.

Ситуации, наблюдаемой в природе, соответствует относительная легкость экспериментального получения и репродукции полиплоидов у растений и трудность получения бисексуально размножающихся полиплоидов у животных.

Хотя вызвать экспериментально полиплоидизацию хромосомных комплексов в клетках животных почти так же легко, как и у растений,— вырастить взрослых полиплоидных животных удается далеко не всегда, а разводить их посредством обычного полового размножения и получить полиплоидную породу или новый бисексуальный полиплоидный вид до сих пор никогда не удавалось.

Контраст между высокой частотой полиплоидов у растений (исключая грибы) и почти полным их отсутствием у раздельнополых животных, который существует в природе, а тем более среди культурных растений и одомашненных животных, издавна привлекал к себе внимание и заставлял искать причины подобного положения.

Наибольшее признание получило объяснение, предложенное выдающимся американским генетиком Г. Мёллером еще в 1925 г. в работе «Почему полиплоидия встречается у животных реже, чем у растений». Мёллер указал на несовместимость с полиплоидией свойственного раздельнополым животным хромосомного механизма определения пола: при полиплоидном увеличении вдвое числа хромосом, и в том числе пары половых гетерохромосом, по мысли Мёллера, следует ожидать, что нормальное соотношение полов в потомстве (1/2 самок + 1/2 самцов) будет нарушено преобладающей примесью аномальных в половом отношении так называемых интерсексов.

Это, вероятно, справедливо для целого ряда животных. Но во многих случаях такая несовместимость явно не должна носить абсолютного и непреодолимого характера. Это видно хотя бы из того, что у нашего нового полиплоидного вида шелковичного червя, о котором будет рассказано дальше, а также у экспериментальных тетраплоидов двудомного растения дремы луговой (Melandrium album) механизм определения и наследования пола функционирует безотказно, давая нормальное распределение полов в потомстве.

Несомненно, что сама раздельнополость животных представляет вполне достаточное затруднение для образования полиплоидного вида: ведь для того, чтобы возникло полиплоидное потомство — исходный материал для нового полиплоидного вида надо, чтобы оба родителя были одинаковыми полиплоидами. Случайное возникновение и скрещивание двух одинаковых полиплоидов, скажем тетраплоидов, практически невероятное событие. Если же тетраплоидия возникает только у самки или только у самца, то скрещивание тетраплоида с нормальным диплоидом другого пола приведет к утрате изначальной степени полиплоидии, к возникновению триплоидии и к бесплодию.

Наконец, очень большой помехой на пути возникновения раздельнополых полиплоидных видов является бесплодие полиплоидов, в особенности аутополиплоидов, с которым приходится очень часто сталкиваться как при получении аутополиплоидных растений, так и аутополиплоидных животных.

Короче говоря, не так уже трудно понять, почему у раздельнополых животных полиплоидия очень редка. Много труднее — и в этом теперь состоит проблема — понять, как вопреки этим трудностям полиплоидные раздельнополые виды животных хотя и очень редко, но все же возникают.

Ключ к ответу на этот вопрос дает та тесная связь, которая и в природе, и в эксперименте наблюдается между полиплоидией и партеногенезом.

В то время как среди бисексуально размножающихся видов животных полиплоидия большая редкость, партеногенетические виды животных почти все полиплоиды. Так что среди партеногенетических животных полиплоидные виды не менее часты, чем среди апомиктических растений.

Таким образом, редкость или частота возникновения полиплоидных видов в той или иной группе организмов определяется вовсе не тем, относятся ли они к растениям или к животным. Возможность и легкость эволюционного закрепления полиплоидии определяется свойственными данной группе организмов особенностями цитогенетических механизмов их репродукции.

Цитогенетические механизмы наследственной передачи, связанные с сильным и сложным преобразованием генотипа (например, мейоз, амфимиксис а у бисексуальных животных еще и хромосомное определение пола), являются серьезным барьером, препятствующим возникновению полиплоидных видов в природе и их искусственному получению в эксперименте.

Напротив, партеногенез, а также бесполое размножение у животных, сопровождающиеся сильным упрощением хромосомных механизмов репродукции, апомиксис и вегетативное размножение у растений снимают эти преграды и способствуют эволюционному закреплению полиплоидии. Известно также, что эволюционному возникновению и закреплению как партеногенеза, так и полиплоидии часто способствует отдаленная гибридизация.

Можно привести многочисленные и демонстративные примеры наблюдаемой в природе положительной связи между полиплоидией, партеногенезом и гибридизацией. Можно также показать, что редкие примеры полиплоидии среди бисексуально размножающихся видов животных встречаются как раз в тех группах животного царства, которым свойственна и способность к партеногенезу.

Все эти факты позволили нам развить гипотезу непрямого происхождения полиплоидных бисексуальных видов у животных. Это происхождение схематизировано и обобщенно рисуется в виде процесса, который состоит из следующих ступеней:

первый шаг — временный переход от обычного полового способа размножения к девственному — к часто встречающемуся в природе одноположенскому естественному партеногенезу;

второй шаг — очень легко совершающийся переход партеногенетических рас посредством удвоения числа хромосом от диплоидного числа хромосом (2х) к тетраплоидному (4х);

третий шаг — возникновение триплоидных (Зх) партеногенетических видов посредством скрещивания самок тетраплоидной партеногенетической расы с самцами бисексуального диплоидного исходного или близко- родственного вида;

четвертый и заключительный шаг — вторичный возврат к бисексуальному способу размножения, теперь уже на полиплоидном уровне, посредством отдаленной гибридизации партеногенетических полиплоидов (в особенности триплоидов) с раздельнополыми диплоидными родичами.

Замечательно, что гипотеза такого непрямого (через партеногенез и гибридизацию) происхождения полиплоидных раздельнополых животных подтверждается не только большим числом наблюдений над явлениями полиплоидии, партеногенеза и отдаленной гибридизации в природе, и может быть иллюстрирована лабораторным экспериментом. Экспериментальной моделью подобного непрямого происхождения бисексуального полиплоидного вида у животных является получение первого искусственного аллотетраплоидного вида тутового шелкопряда, осуществленное в нашей лаборатории с помощью искусственного партеногенеза и отдаленной гибридизации.

Новый полиплоидный (аллотетраплоидный) вид разводится, не утрачивая своей полиплоидной структуры, обычным половым путем уже в течение 12 поколений. За это время нами получены тысячи полиплоидных гусениц и бабочек.

Называть эту экспериментально полученную полиплоидную форму шелковичного червя новым видом следует потому, что она может существовать, только размножаясь «в себе».

Если же попытаться скрестить аллополиплоидных бабочек с любым из двух исходных нормальных диплоидных видов шелкопряда — домашним шелкопрядом Bombyx mori L. или диким В. mandarina Moore, скрещивание пройдет вполне успешно, но в результате получатся триплоидные потомки с тремя наборами хромосом, которые оказываются совершенно бесплодными при любых скрещиваниях как между собой, так и с исходными родительскими видами. Такая репродуктивная изоляция — неспособность давать при скрещивании плодовитые помеси — один из очень частых, важных и достаточных, хотя не обязательных признаков настоящих или, как говорят систематики, «хороших видов» (в отличие от разновидностей, подвидов, рас и т. п.). Это и позволяет говорить о том, что нами получен искусственно действительно новый вид животного.

Изложим вкратце результаты многолетнего модельного эксперимента.

История полиплоидного шелкопряда Выведение полиплоидного вида шелкопряда было достигнуто не сразу. Оно потребовало многолетних и иногда очень сложных цитологических и генетических исследований. На разных этапах работы в ней принимало участие довольно много помощников, учеников и сотрудников автора этой статьи. Среди них особенно должны быть отмечены имена цитологов и генетиков — С. Л. Фроловой, В. П. Остряковой-Варшавер и В. Н. Верейской. Расскажу обо всех этих исследованиях в самой общей и краткой форме.

Первый шаг — переход от бисексуального размножения к моносексуальному (девственному) — получение одноположенского искусственного партеногенеза. Сперва пришлось разработать надежный способ искусственного побуждения неоплодотворенных яиц к девственному развитию (так называемому искусственному партеногенезу). Возможность искусственной активации неоплодотворенных яиц была открыта еще в 1886 г. русским зоологом А. А. Тихомировым именно в опытах с шелковичным червем, но ему удавалось получать лишь начальные стадии неполного развития и — как редчайшее исключение — единичных вылупившихся личинок.

В начале 30-х годов исследования по искусственному партеногенезу шелковичного червя возобновились в Японии и СССР. В России их возобновил выдающийся биолог, один из основоположников экспериментальной биологии и генетики в нашей стране, Николай Константинович Кольцов (рис. 1). В 1934 г. мне, его ученику, посчастливилось разработать свой оригинальный, технически очень простой и надежный способ активации неоплодотворенных яиц к полному развитию (рис. 2). Извлеченные из брюшка самок неоплодотворенные яйца шелкопряда, так же как и только что отложенные оплодотворенные, находятся на стадии метафазы первого деления созревания.

Если на этой стадии погрузить неоплодотворенные яйца на 18 мин. в воду, нагретую до 46°, то их можно заставить развиваться как оплодотворенные. Нагрев в горячей воде разрушает веретено метафазы первого редукционного 1 деления созревания. Новое веретено в яйце возникает по прошествии некоторого времени, но это уже веретено второго деления созревания, и хромосомы в этом случае претерпевают только эквационное деление1 2. Редукции числа хромосом совсем не происходит, и в ядре дробления, а затем и в ядрах всех клеток зародыша сохраняется исходный диплоидный набор хромосом (28 X 2 = — 56 = 2х). Это так называемый эиготический, или амейотический, партеногенез, при котором сложное преобразование генотипа в ходе делений созревания яйцеклетки (мейоз) предельно упрощено и низведено до степени простого равнонаследственного деления, или митоза. Активированные таким способом яйца нормально развиваются, и из них появляются только самки, строго повторяющие генотип и все особенности матери-прародительницы. Простой прогрев неоплодотворенных яиц в воде 46° в течение 18 мин. позволяет получать сколько угодно партеногенетических бабочек, всегда одних самок.

Таким образом, с помощью искусственного партеногенеза легко выводить и неограниченно долго размножать без нормального оплодотворения особые, идеально однородные по наследственным свойствам линии — клоны (рис. 3). Они состоят из одних самок, в точности похожих друг на друга как идентичные близнецы и повторяющих по своим признакам исходную самку, из которой были извлечены неоплодотворенные яйца.

Получение амейотического искусственного партеногенеза у шелковичного червя имитирует и в эксперименте многочисленные примеры эволюционного перехода бисексуальных диплоидных видов к одноположенскому естественному партеногенезу.

Второй шаг — возникновение полиплоидного партеногенеза. В только что подчеркнутом правиле точного генотипического сходства партеногенетических дочерей со своей матерью имеется, однако, одно очень важное исключение.

При обследовании яиц, откладываемых партеногенетическими самками, было замечено, что некоторые из них откладывают яйца двух сортов: одни имеют нормальную величину, другие в полтора раза крупнее обычных (рис. 4). Оказалось, что они содержат не диплоидный, а тетраплоидный набор хромосом 28 X 4 = 112 = 4х. Эта особенность обнаруживается только в кладках партеногенетических самок, но настолько часто, что средний процент тетраплоидных яиц иногда достигает 25%. Выяснилось, что в девственно развивающихся яйцах на начальных этапах зародышевого развития (во время дробления, когда идет бурное размножение клеток) удвоение числа хромосом иногда не сопровождается делением ядра и клетки или же отдельные клетки могут сливаться друг с другом. Происходит соматическая полиплоидизация. Соматическая полиплоидизация не препятствует дальнейшему развитию, и из яиц появляются особи, которые наряду с диплоидными имеют тетраплоидные клетки и ткани. Чем раньше в развитии произойдет соматическая полиплоидизация, тем больше тетраплоидных тканей окажется в теле данной самки.

Если в этот процесс вовлекаются и те клетки, от которых впоследствии произойдут половые клетки, то тогда, наряду с диплоидными, разовьются и тетраплоидные яйцеклетки. Такие «химерные» самки (2х + 4х) называются миксоплоидами.

Если подвергнуть термической активации яйца 4х, они могут дать начало тетраплоидным партеногенети- «еским особям, а затем и таким же клонам (рис. 5). Такая полиплоидизация партеноклонов моделирует столь частое возникновение четно полиплоидных (тетраплоидных) партеногенетических видов или рас в природе. Третий шаг — переход к нечетнополиплоидному — триплоидному партеногенезу. Научившись получать тетраплоидных самок и репродуцировать их с помощью термоактивации неоплодотворенных тетраплоидных яиц, совсем нетрудно получить и триплоидов обоего пола с тройным набором хромосом (Зх). Для этого надо только скрестить тетраплоидных самок (4х) с обычными диплоидными самцами (2х). Подобные триплоиды совершенно бесплодны при любых скрещиваниях, как между собой, так и с нормальными диплоидами, поскольку хромосомы третьего «лишнего» набора при попарной конъюгации в мейозе не находят себе партнеров и распределяются по половым клеткам беспорядочно. При этом образуются генетически аномальные анеуплоидные яйцеклетки и спермин. Слияние таких половых клеток при оплодотворении приводит к образованию нежизнеспособных зародышей с нарушенным генным балансом (рис. 6).

Казалось поэтому, что получение триплоидов заводит всю работу по экспериментальному получению полиплоидного вида шелкопряда в безнадежный тупик. Однако в действительности дело обстояло как раз наоборот, и получение триплоидов явилось необходимой ступенью, ведущей к получению нового полиплоидного вида.

На первый взгляд, кажется полной нелепостью и парадоксом, что столь неполноценные организмы, как триплоиды, совершенно неспособные дать потомство при размножении нормальным половым путем, окажутся способными к размножению совершенно ненормальным, несвойственным шелкопряду способом искусственного термического партеногенеза, т. е. с помощью почти смертельного прогрева изъятых из тела матери неоплодотворенных триплоид- ных яиц в горячей воде.

Однако этот парадокс мог быть предсказан заранее.

Как мы помним, в случае искусственного термического партеногенеза имеет место сильное упрощение генетических механизмов полового размножения и упомянутых выше попарной конъюгации и редукции числа хромосом вдвое не происходит. Разработанный в нашей лаборатории метод искусственного партеногенеза потому-то так и эффективен, что примененное воздействие подавляет редукционное деление яйцеклетки, так что партеногенетический зародыш сразу получает в точности такой же хромосомный и генный набор, каким обладала его мать.

При термоактивации триплоидных неоплодотворенных яиц (Зх) отпадает как раз то роковое затруднение (невозможность правильного уменьшения тройного набора хромосом вдвое), которое делает триплоидов неспособными к нормальному половому размножению. Девственное развитие Зх овоцитов приводит к возникновению триплоидных дочерей, а потом и триплоидных одноположенских клонов.

Таким образом, помимо нормальных диплоидных, партеногенез дал возможность получать и разводить полиплоидные одноположенские клоны, сперва тетраплоидные с четырьмя наборами генов, а затем — и триплоидные — с тремя.

Четвертый шаг — вторичный возврат от партеногенеза к бисексуальному размножению, но уже на полиплоидном уровне. В дальнейшем оказалось, что соматическая полиплоидизация имеет место и при развитии триплоидных партеногенетических яиц. В результате появляются миксоплоидные самки (Зх + 6х), содержащие, наряду с триплоидными, гексаплоидиые ткани 28 X 6 = 168 = = 6х (рис. 7). В среднем партеногенетические самки из триплоидных клонов дают около 1 % гексаплоидиых яиц.

Яйцеклетки 6х, как четнополиплоидные, проделывают два нормальных деления созревания и е результате редукции числа хромосом образуют женский пронуклеус Зх. После оплодотворения нормальным самцом, производящим гаплоидные спермии, из этих яйцеклеток развиваются тетраплоиды обоего пола (Зх + 1 х) = Ах. Таким образом, триплоидные партеногенетические самки всегда могут служить источником получения любого нужного количества тетраплоидов обоего пола.

Казалось, достаточно теперь скрестить этих тетраплоидных самок и самцов между собой — и новый тетраплоидный вид домашнего тутового шелкопряда будет создан. Однако полученные во множестве тетраплоидные самцы шелкопряда неизменно оказывались совершенно бесплодными.

Главная причина стерильности аутотетраплоидных самцов — нарушение попарной конъюгации хромосом в процессе образования половых клеток (гамет). Вместо попарной конъюгации у теграплоидных самцов часто наблюдается поливалентная конъюгация четырех гомологичных хромосом вместе или в комбинациях (3 + 1), ведущая — особенно при наличии кроссинговера — к образованию анеуплоидных (гипо- и гипердиплоидных) гамет. Чтобы вывести размножающийся тетраплоидный вид, нужно было преодолеть стерильность самцов, а для этого добиться, чтобы каждые четыре гомологичных хромосомы конъюгировали всегда в виде двух пар.

Для этого нами был использован принцип получения гибридных полиплоидов, или так называемых амфидиплоидов, открытый в 1927 г. в опытах на растениях талантливым русским цитогенетиком Г. Д. Карпеченко, учеником и сподвижником выдающегося генетика, ботаника и путешественника академика Н. И. Вавилова. Г. Д. Карпеченко показал, что совершенно бесплодный отдаленный межродовой гибрид редьки (Raphanus) и капусты (Brassica) своего рода «(растительный мул» — Raphanobrassiса, или «капредька», имеющий по одному набору капустных и редечных хромосом, может быть превращен в гигантское и совершенно плодовитое растение, если его сделать полиплоидным, удвоив число хромосом так, чтобы его четыре хромосомных набора состояли из двух редечных и двух капустных. Такие тетраплоиды представляют собой как бы гибридные дважды диплоиды и называются амфидиплоидами. Они становятся нормально плодовитыми потому, что каждая хромосома во время делений созревания имеет партнера своего же вида, так что попарная конъюгация и распределение хромосом по половым клеткам идут совершенно правильно.

Этот способ получения плодовитого гибридного тетраплоида, оправдавшийся на многих растениях, и был применен к шелковичному червю для преодоления бесплодия тетраплоидов. Для этого были сконструированы гибридные тетраплоиды, у которых два набора хромосом происходили от домашнего тутового шелкопряда Bombyx mori L. и два от его дикого родича В. mandarina Moore (рис. 8). Диплоидное число хромосом (2х) у обоих видов равно 56. Оба вида внешне и по своей биологии очень отличаются друг от друга. Дикий и домашний шелкопряды, хотя и не без труда, скрещиваются между собой; при этом они дают вполне плодовитых диплоидных гибридов.

Сложный ход скрещиваний и получения партеногенетических поколений, в результате которого были выведены гибридные тетраплоиды шелкопряда, можно видеть на рис. 9. Сперва тетраплоидные самки домашнего тутового шелкопряда, взятые из партеногенетического тетраплоидного клона, были скрещены с нормальными диплоидными самцами дикого шелкопряда (верхний ряд представляет коконы скрещенных форм). В результате получились аллотриплоидные гибридные самки и самцы с тремя наборами генов, из которых два набора происходили от домашнего и один от дикого шелкопряда (второй ряд). Такие триплоиды совсем бесплодны. Поэтому от триплоидных гибридных самок посредством искусственного партеногенеза, т. е. путем термической активации неоплодотворенных яиц, был получен такой же аллотриплоидный женский клон и самки этого клона были вторично скрещены возвратно с самцами диплоидного дикого вида (третий ряд). Как упоминалось, партеногенетические самки из триплоидных клонов часто миксоплоидны (Зх + 6х) и производят около 1 % яиц с шестью наборами хромосом. При оплодотворении таких гексаплоидных яиц нормальным самцом получаются тетраплоидные потомки обоего пола (рис. 9, четвертый нижний ряд). В этом случае тетраплоиды были гибридными и, как ожидалось, оказались хотя и не все и не полностью, но все же плодовитыми. Их скрещивание — между собой и возвратмо — с самками тетраплоидного клона В. mori L и поломило начало первому у животных искуса винному виду шелкопряда с четырехкратным набором генов.

Поскольку яти гибридные тетраплоиды (Bombyx mori X В. mandarina) не являются истинными лмфидиплоидамм из-за генетической близости исходных видов (Bombyx mori L и В, mandarine Moore), их мейоз имеет те же отклонения от нормы, что и у тетраплондо» домашнего шелкопряда, правда, не столь выраженные, как у последних (рис, 10). Небольшая часть половых клеток есе же проделывает правильные деления созревания, образует нормальные гаметы и некоторые аллотетраплоидные самцы частично плодовиты. По мере разведения тетраплоидного вида, его плодовитость очень медленно повышается посредством отбора наиболее плодовитых самцов. В отдельных случаях она достигает теперь почти нормы.

Общебиологическое значение эксперимента

Тетраплоидный вид шелкопряда послужил экспериментальной моделью, подтверждающей правильность гипотезы непрямого (через партеногенез и гибридизацию) происхождения бисексуальных полиплоидов в природе.

Описанный эксперимент имеет модельное значение и для решения другой проблемы. Она заключается в том, научимся ли мы когда-нибудь экспериментально создавать полиплоидные породы и виды животных, как мы умеем это делать теперь с легкостью у растений.

Нам представляется, что общее состояние биологических знаний, методическая вооруженность генетики и биологии развития, понимание стоящих перед подобной работой трудностей и возможностей сейчас таковы, что эту задачу можно уже считать хотя и трудной, но реальной.

Тетраплоидию и очень существенную для решения задачи триплоидию сравнительно нетрудно получить на яйцеклетках рыб, амфибий, млекопитающих. Обеспечить развитие полиплоидных икринок рыб и амфибий не составляет особого труда. Что касается яйцеклеток и зародышей млекопитающих, то становится все более доступными их активация, оплодотворение и развитие вне тела матери (in vitro), а затем воспитание зародышей путем их имплантации в матку приемной матери- мачехи.

Как мы видели, для преодоления бесплодия экспериментальных полиплоидов очень важно применение отдаленной гибридизации и получение гибридных полиплоидов — амфидиплоидов. Хорошо известно, что не только у беспозвоночных, но и у позвоночных, как низших (рыбы, амфибии), так и высших (птицы, млекопитающие) возможности получения межвидовых и даже межродовых гибридов очень широки. Достаточно напомнить, что получение целого ряда межвидовых гибридов, таких как бесплодный мул, гибрид-одногорбого и двугорбого верблюдов — инер, или нар, и др., человек практикует испокон веков. Распространенное полное и частичное бесплодие таких гибридов, как мул, зеброиды и многие другие, хотя это и может показаться парадоксальным, говорит не «против», а как раз «за» то, что в полиплоидном варианте такие гибриды (амфидиплоиды) должны восстановить свою плодовитость и смогут размножаться как константный новый вид. Применимость принципа Карпеченко (получение амфидиплоидов для восстановления плодовитости бесплодных гибридов) к животным показана на шелковичном черве, и это один из наиболее интересных сделанных здесь выводов общего значения.

Научно-технический прогресс человечества, чем далее, тем чаще бывает омрачен невосполнимым уничтожением созданных эволюционным процессом неповторимо совершенных живых форм.

Хотелось бы верить, что тот же научно-технический прогресс чем дальше, тем все интенсивнее будет искупать эти стихийные потери разумным творчеством новых живых существ.

В области создания новых видов культурных растений процесс этот уже заявляет о себе воочию. Хочется думать, что он захватит также и мир животных и что творческий союз экспериментальной полиплоидии и отдаленной гибридизации будет играть здесь не последнюю роль.

17 мая 1971 года.

содержание

Отзывы о статье (0) / +добавить