Гены, среда, отношения

Гены и устойчивость к среде

В аутэкологии, наверное, проще всего найти примеры того, как мутации в определенных генах дают организмам возможность адаптироваться к окружающей среде. Например, гемоглобины с повышенным сродством к кислороду помогают освоить гипоксические среды. Такие белки есть в гемолимфе у красных личинок комаров-звонцов из семейства Chironomidae, известных рыболовам под называнием «мотыль». Они, в отличие от неокрашенных форм из того же семейства, могут жить в воде, загрязненной органическими веществами и бедной кислородом, причем большое количество таких личинок при малом видовом разнообразии служит индикатором органического загрязнения. Возможно, здесь для приспособления к среде было достаточно изменения одного лишь гемоглобина.

Множество организмов живет в экстремальных условиях среды, например при высокой температуре или большом гидростатическом давлении. В этих случаях к работе в необычных условиях должны быть приспособлены их мембраны и белки, в том числе и все ферменты. Таковы термофильные археи — прокариотические организмы, которых иногда традиционно относят к царству бактерий, но в последнее время чаще выделяют в отдельное царство живой природы. Возможно, они сразу возникли при высокой температуре и им не пришлось к ней приспосабливаться. Однако для глубоководных организмов подобное предположение уже не сделаешь: известно, что многие из них происходят от мелководных форм. Для того чтобы научиться жить в глубинах океана, им пришлось путем мутаций выработать белки, не денатурирующие при высоком гидростатическом давлении.

Многие растения смогли адаптироваться к засоленной почве, научившись накапливать вещества-осмопротекторы, удерживающие воду в клетках. Для этого должны были измениться их ферменты или транспортные белки. Еще один хорошо известный пример адаптации животных и растений — к температурам ниже нуля, с помощью белков-антифризов.

Важное значение может иметь изучение такого явления, как модификационная изменчивость. Этим понятием обозначают изменчивость, связанную с воздействием среды. У организмов с одинаковым генотипом, выросших в различных условиях, она проявляется как различия в признаках между индивидами.

Наверное, самое неожиданное проявление модификационной изменчивости — это формирование пола в зависимости от условий существования. Так, у миссисипского аллигатора пол будущего потомства определяет температура, при которой развиваются их яйца. Если она выше 34 градусов, то из них вылупляются самцы, если ниже 30 — самки, а при промежуточных температурах — и те и другие.

От условий среды могут зависеть и такие признаки, как цвет тела. Например, окраску гималайских кроликов определяет температура: при 20°С мордочка, лапы и уши у них окрашены в коричневый цвет, а все остальное тело белое. При 30°С темных участков нет. Для особей, генетически не способных вырабатывать меланин, температура не имеет значения: они белые в любом случае.

К модификационной изменчивости относится также увеличение массы и размера тела, например, при усиленном питании. Пределы, в которых изменяется значение признака, называются нормой реакции и зависят от генотипа. Это явление известно давно (укрепление мышц при тренировке было отлично знакомо древним), но его молекулярные и генетические механизмы до сих пор изучены недостаточно. При этом современное сельское хозяйство опирается именно на модификационную изменчивость сельскохозяйственных животных и растений, когда создает им благоприятные условия жизни, использует удобрения, кормовые добавки, разнообразные приемы агротехники и зоотехнии. Используется оно и в медицине, когда изучается реакция больных людей на медикаменты.

Симбиоз бобовых и клубеньковых

У бактерий и растений с помощью мутационного анализа удалось определить несколько десятков генов, необходимых для образования клубеньков, и расшифровать сложную сеть взаимодействий между ними. (В России этой проблемой занимаются во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии РАСХН под руководством академика РАСХН И.А. Тихоновича.)

Бобовые растения выделяют в почву флавоноиды, сигнализирующие о возможности вступить в симбиоз. Белок нодД, расположенный на мембране клубеньковых бактерий, служит рецептором: он связывает эти вещества и запускает работу генов, ответственных за взаимодействие с растением. У микроба начинает синтезироваться олигосахарид нод-фактор (от английского nodule — узелок) — эффективный стимулятор деления клеток растения. Клетки корня делятся, и формируется клубенек, в котором поселяются бактерии.

Приведенная схема описывает взаимодействие очень упрощенно. У разных видов растений и бактерий флавоноиды и нод-факторы различаются, обеспечивая их узнавание друг другом. При этом центральная часть нод-фактора одинакова у всех бактерий, и соответствующие гены называются общими нод-генами. Различия между ними обусловлены дополнительными группами: сульфатными, ацетатными, карбамоильными и другими. Гены ферментов, изменяющих олигосахарид, получили название генов хозяйской специфичности.

Защита пасленовых от фитофторы

Л.А. Лутова и ее сотрудники предложили и запатентовали метод получения томатов и картофеля, устойчивых к фитофторе, у которых изменен метаболизм стеринов. Для этого культуры недифференцированных клеток растений (каллусы) облучали ультрафиолетовым светом и получили коллекцию мутантов. Затем их помещали на среды с ингибиторами синтеза стеринов: фенпропиморфом, фунгицидом байтаном и другими. Некоторые из мутировавших клеток выжили и дали колонии. У части этих колоний изменялся метаболизм стеринов. Если на них выращивали личинок дрозофилы, то их развитие нарушалось, в отличие от колоний нормальных клеток. И самое главное, некоторые растения, полученные из отобранных таким образом культур, действительно оказались более устойчивыми к фитофторе. Так экологогенетическая модель помогает не только расшифровывать механизмы взаимодействия между особями разных видов, но и управлять ими.