Германские биологи экспериментально доказали возможность обмена генами между клетками привоя и подвоя. Это можно расценить как частичное подтверждение теории «вегетативной гибридизации», которую отстаивал Т. Д. Лысенко и которая долгое время считалась полностью ошибочной. Вопреки взглядам Лысенко, смешение наследственных признаков привоя и подвоя носит крайне ограниченный характер. Генетический обмен обнаружен только в зоне непосредственного контакта тканей двух сросшихся растений и затрагивает только пластидную, но не ядерную ДНК.
Идея «вегетативной гибридизации» была одним из краеугольных камней лысенкоизма. Лысенко считал, что влияние подвоя на привой (см.: Прививка; Grafting) может передаваться по наследству при половом размножении и видел в этом «факте» опровержение генетической теории наследственности. Долгое время «вегетативная гибридизация» считалась полностью ошибочной теорией. Многочисленные эксперименты показали, что наследственный материал двух сросшихся растений не смешивается, привой и подвой полностью сохраняют свою генетическую идентичность и при половом размножении передают потомству только свои собственные признаки.
Однако эксперименты, проведенные Сандрой Стегеманн (Sandra Stegemann) и Ральфом Боком (Ralph Bock) из Института молекулярной физиологии растений им. Макса Планка (Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Германия), показали, что в крайне ограниченном и урезанном виде идея вегетативной гибридизации все-таки имеет право на существование.
Стимулом для исследования послужило, разумеется, не желание реабилитировать лысенкоизм, а многочисленные открытия последних лет, показавшие чрезвычайно широкую распространенность горизонтального генетического обмена в природе, в том числе у высших растений (см. обзор «Горизонтальный перенос генов и эволюция»). Эти открытия убедили научную общественность в том, что в предположении о возможности эпизодического обмена генами между клетками двух сросшихся растений нет ничего невероятного. Растения разных разновидностей и даже видов нередко срастаются и в природе, а не только в садах и оранжереях под руководством человека. При этом, по-видимому, возникают благоприятные условия для генетического обмена.
Для проверки этого предположения были созданы два генетически модифицированных сорта табака. Первому из них (обозначенному буквой Y, от yellow — желтый) в ядерный геном вставили фрагмент ДНК, содержащий два гена: ген устойчивости к антибиотику канамицину и ген желтого флуоресцирующего белка. Второму (G, от green — зеленый) в пластидную ДНК (см.: пластиды) вставили ген устойчивости к другому антибиотику — спектиномицину, а также ген зеленого флуоресцирующего белка. Помимо этих генов, два сорта различались также по некоторым другим ядерным и пластидным генетическим маркерам.
Затем эти два сорта прививали друг к другу, то есть приращивали верхушку растения G к основанию растения Y (вариант GY), и наоборот (YG). После того как растения успешно срастались, их резали на мелкие кусочки и пытались вырастить культуру растительных клеток в среде, содержащей сразу оба антибиотика — канамицин и спектиномицин. В таких условиях могут размножаться только те растительные клетки, которые содержат сразу оба гена устойчивости.
Оказалось, что клетки, устойчивые к обоим антибиотикам, имеются во многих привитых растениях, но встречаются они исключительно в области непосредственного контакта тканей привоя и подвоя. Клеточные культуры, выращенные из этих клеток с двойной устойчивостью, производили оба флуоресцирующих белка — желтый в цитоплазме и зеленый в пластидах.
Растительные клетки могут обмениваться друг с другом белковыми молекулами. Чтобы окончательно убедиться в том, что имел место обмен именно генами, а не их белковыми продуктами, был проведен анализ РНК и ДНК, выделенных из клеток с двойной устойчивостью. Анализ показал, что каждая из этих клеток действительно содержит все четыре гена, и все они работают (транскрибируются, то есть используются в качестве матрицы для синтеза РНК).
Обмен генетическим материалом не зависел от «направления» прививки и происходил одинаково успешно в обоих случаях (YG и GY).
Анализ пластидных и ядерных генетических маркеров показал, что в генетическом обмене участвовала только пластидная, но не ядерная ДНК. У всех клеток с двойной устойчивостью пластидные маркеры оказались такими же, как у сорта G, а ядерные — как у сорта Y. Это значит, что «гибридные» клетки образовались в результате переноса больших фрагментов пластидной ДНК (или даже целых пластидных геномов) от сорта G к сорту Y. Перенос ядерных генов от Y к G не был выявлен; не обнаружилось и никаких признаков полиплоидизации (объединения двух ядерных геномов в одной клетке).
Поскольку у растений ранее было выявлено довольно много случаев горизонтального переноса митохондриальных генов, можно предположить, что при физическом контакте растительные клетки могут сравнительно легко обмениваться генами органелл (или даже целыми пластидами и митохондриями), тогда как обмен ядерными генами если и происходит, то гораздо реже.
Из клеточных культур с двойной устойчивостью, содержащих смешанный генетический материал двух сортов табака, удалось вырастить взрослые растения, способные к половому размножению. Из их семян выросли растения с теми же признаками, что и у гибридных родителей. Это означает, что новая комбинация признаков, полученная в результате генетического обмена между клетками привоя и подвоя, действительно может стать наследственной — а следовательно, «вегетативная гибридизация» все-таки возможна, по крайней мере в лабораторных условиях.
Происходят ли такие процессы в природе, и если да, то как часто? Точного ответа пока нет. Ясно лишь, что это должно происходить гораздо реже, чем предполагали сторонники лысенкоизма. Ведь для того, чтобы результаты генетического обмена смогли унаследоваться, плодоносящий побег должен вырасти точно из зоны контакта тканей двух сросшихся растений и должен состоять из «гибридных» клеток, которые даже в зоне контакта составляют незначительное меньшинство. Все прочие побеги будут содержать гены только одного из двух растений. Кроме того, вопреки взглядам лысенкоистов, «вегетативная гибридизация» влияет только на крайне ограниченное число признаков, определяющихся геномами органелл — пластид и митохондрий. Предположение о том, что при физическом контакте растительных клеток может происходить обмен ядерными генами, содержащими львиную долю наследственной информации, по-прежнему остается неподтвержденным.
Источник: Sandra Stegemann, Ralph Bock. Exchange of Genetic Material Between Cells in Plant Tissue Grafts // Science. 2009. V. 324. P. 649–651.
Александр Марков
