Гены, среда, отношения

М. Литвинов

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.

Разные разности
Споры против полиуретана
Ученые создали биоразлагаемый материал с помощью почвенных штаммов бактерий Bacillus subtilis, способных пожирать термополиуретан. Решение очень простое — подмешать бактерии к полимерам. Причем не сами бактерии, а их споры, которые остаются...
Бактериофаги против дезодорантов
Метагеномный анализ кожной флоры позволил найти главного злоумышленника, виновного в резком запахе пота — это бактерии Staphylococcus hominis. Но можно ли от них избавиться, не убивая другие кожные бактерии? Исследователи предложили логичное реш...
Липучка против трипсов
Химики ищут замену инсектицидам, подсматривая за тем, как разные растения сами защищаются от вредных насекомых. Некоторые растения выделяют липкие вещества из так называемых железистых волосков. К ним прилипают насекомые-вредители и погибают. Эта стр...
Этанол против гриппа
Во время пандемии ковида в соцсетях распространилось видео, на котором наш соотечественник демонстрировал свой метод лечения ковида — ингаляцию парами этанола. Но тогда над ним посмеялись и отмахнулись. Похоже — зря. Японские исследователи ...