Горизонты генетики [1982 Лаптев Ю.П. - Занимательная генетика]

Обычно принятая форма предисловия переписчиков книг XVI-XVII веков

Селекция была и остается более искусством, чем производством, базирующимся на строго научной основе. Интуиция селекционера и удача, безусловно, и впредь будут играть роль в выведении сортов и пород. Николай Иванович Вавилов и его сподвижник Петр Михайлович Жуковский хорошо понимали необходимость комплексных генетических исследований и тесной связи с генетикой таких отраслей биологии, как цитология, биохимия, физиология, зоология, ботаника, селекция и обязательность математического базиса для биологии. Ими и такими выдающимися биологами, как Н. К. Кольцов и А. С. Серебровский, намечены будущие маршруты изыскательских партий генетиков. Попробуем и мы пройтись по современным и грядущим маршрутам генетики и попытаться заглянуть за видимый на данном этапе развития генетики горизонт.

Прежде всего от прикладной генетики селекционеры ожидают новых методов и приемов для селекции на гетерозис (назовем это задачей №1). Чтобы четче разобраться в причинах и явлениях гетерозиса высших организмов, генетики предложили метод гаплоидии, а для закрепления гетерозиса и преодоления нескрещиваемости видов и родов - экспериментальную полиплоидию. В селекции картофеля и других естественных полиплоидных сельскохозяйственных культур эти методы используют уже довольно широко, а порой - и глубоко.

"Секрет" гетерозисного эффекта, скорее всего, окажется совокупностью секретов; эффект, видимо, зависит от групп и генетического содержания особей (их генотипа), видов и родов, равно и условий содержания микроорганизмов, растений и животных на определенных этапах их развития или искусственного стимулирования.

Эффект "удачи" играет не последнюю роль в возникновении выдающихся сортов. Примером может быть сорт картофеля Лорх, очень распространенный в нашей стране. Он получен в результате коллективной работы сотрудников Кореневской селекционной станции (Московская область), проводивших скрещивания сортов Свитезь (Польша) и Смысловский. Указанная комбинация скрещивания повторена сотни и тысячи раз десятками селекционеров, но более не дала ни одного сорта, хотя бы близко приближающегося по своим достоинствам и урожайности к первому советскому сорту картофеля, районированному в 1931 году.

В качестве еще одного примера назовем сорт пшеницы Кавказ. Его автор П. И. Лукьяненко (1970) не подозревал, что одним из родительских компонентов его сорта была рожь. Это вскрыл на основе дифференциального окрашивания хромосом Д. Меттин из университета имени М. Лютера в Галле (ГДР).

Если рассматривать окрашенные хромосомы под микроскопом при достаточно сильном увеличении, то не так уж трудно специалисту разглядеть на хромосомах поперечные полосы. Для каждого вида их расположение и расстояние друг от друга столь же характерно, как рисунок отпечатков пальцев у людей. По полосам хромосом и их "облику" можно узнать, каким видам и родам они принадлежат. Вот Меттин подобно криминалисту и раскрыл неизвестного соучастника сорта, зафиксировав в протоколе "следствия по делу сорта Кавказ", что в одну из пшеничных хромосом попала половинка хромосомы ржи.

Цитогенетики добились определенных успехов при использовании метода дифференциальной окраски хромосом сельскохозяйственных культур красителем Романовского - Гимза, окрашивающего более интенсивно блоки гетерохроматина. Различия в структуре и распределении гетерохроматина по длине хромосом столь велики, что позволяют, например, отличать хромосомы пшеницы от хромосом ржи у тритикале даже в метафазе и анафазе мейоза, что крайне трудно для анализа. Метод позволил "изобличить" тайное и неведомое порой даже авторам сортов участие ржи не только в сорте Кавказ, но и в других известных сортах пшеницы: Безостая 2, Аврора, Ловрин 10, Ловрин 13, Виннетоу. Новый метод, ожидается, позволит установить корреляционные связи между структурными вариантами хромосом и полезными признаками.

Если, помимо полос хромосом, научатся дифференцировать качественно различные участки хромосом при помощи специально подобранных красителей, то, возможно, удастся со временем "вылавливать" участки, ответственные за гетерозис на том или ином этапе индивидуального развития организма в контролируемых или относительно стабильных естественных условиях выращивания и питания.

Взаимодействие аллелей самонесовместимости при прорастании пыльцы на рыльцах растения табака: А - самоопыление или перекрестное опыление растений с одинаковым генотипом; Б - скрещивание растений, различающихся по одному аллелю; В - скрещивание растений, различающихся по двум аллелям

Для селекции на гетерозис уже кое-что сделали генетики-растениеводы. Ввели в практику двойные межлинейные гибриды кукурузы. Открыли цитоплазматическую мужскую стерильность, что избавило селекционеров от трудоемкой операции удаления мужских метелок у кукурузы и удаления пыльников у других культур, чтобы дать возможность растениям получить "свою" порцию исключительно чужой пыльцы, обеспечивающей гетерозис. Научились даже использовать несовместимость у растений на пользу человеку.

У растений с генотипом S₁S₂ в диплоидных клетках пестика имеются оба аллеля, но в гаплоидном пыльцевом зерне у спермин - только один из них (S₁ или S₂). Прорастание пыльцы с любым из названных аллелей в случае самоопыления будет задержано. Однако при опылении растений S₁S₂ пыльцой растения S₁S₃ не прорастет только половина пыльцы с аллелем S₁, a рост другой половины не встретит препятствия. И тем более врастет в пестик и произведет оплодотворение пыльца растений, скажем, типа S₃S₄ или (S₅S₆ и т.п.). Эта особенность генетической самонесовместимости применена в Японии при селекции на гетерозис капусты. Она может быть использована и используется в селекции на гетерозис у табака, картофеля (вообще у многих пасленовых), клевера, груши, ананаса и других культур.

Задача № 2 (автор дает номера вполне произвольно) - контролируемый перенос полезных генов из одних организмов в другие.

Ученые ведут поиск для "подряда" вирусов, которые можно было бы использовать для "перевоза" и внедрения интересных в каком-то отношении для человека участков ДНК из одних особей, видов или родов в иные. Успехи здесь пока невелики, но есть надежда, что в будущем большую роль будут играть в этом плане искусственно "построенные" или синтезируемые вирусы.

Таким способом Т-четный фаг впрыскивает свою ДНК в бактериальную клетку: 1 - чехол; 2 - белковая оболочка; 3 - клеточная оболочка; 4 - стержень

Однако решать эту проблему приходится в разных направлениях: проводить опыты по синтезу новых вирусов, выделению генов из клетки и синтезу генов, в том числе неведомых природе. Пока наиболее "легок" путь выделения известных генов из клетки посредством разрушения ДНК до фрагментов при помощи ультразвука и последующей "гибридизации" их с молекулами информационной РНК. "Гибриды" ДНК-РНК в последующем подлежат обработке нуклеазами - ферментами, расщепляющими сложные белки. После денатурации "гибрида" (расплетания хромосом, превращения в отдельные полинуклеотидные нити) матрица ДНК уже "согласна" отдать нужный ген.

Мутантными заимствованными или искусственно полученными (синтезированными) генами может быть снабжен микроорганизм, используемый для изменения генетической конструкции клеток высших организмов. Приобретение клеткой растения (а клетку можно преобразовать на искусственной питательной среде в целое растение) новых признаков возможно достигнуть либо включением чужеродного гена в хромосому хозяйской клетки непосредственно, либо присоединением этого гена к структуре ДНК из бактерий (которая образует в растительной клетке кольцевую структуру и будет функционировать практически автогенно от хромосом клетки растения), либо объединением ДНК-микроба с ДИК-хлоропластов или митохондрий растений.

Бактериальные, животные и растительные клетки, как показали опыты, способны поглощать чужеродную бактериальную ДНК в количестве, соответственно равном, около 1; 0,08-7 и 90 процентов (последнее отмечено для ядер клеток камбия растений). Доказано, что при погружении однодневных проростков ячменя в капли концентрированного раствора ДНК из бактерий микрококкус в ячмене образуется гибридная ДНК, состоящая из фрагментов ДНК-бактерии и растения. Феномен интеграции бактериальной и растительной ДНК в дальнейшем обнаружен также в опытах и с иными растениями (томатом, табаком, испанским козлецом, баклажаном и др.).

Синтез генов в недавнем прошлом осуществляли химическим путем. По молекуле информационной РНК "прочитывали" последовательность нуклеотидов, а затем эти нуклеотиды "вязали" в разгаданной последовательности биохимическими методами, которыми пользовались еще наши деды. Но путь этот оказался невероятно трудным и подчас неосуществимым - действительно, попробуй-ка свяжи без единой ошибки ген из 1000-1500 нуклеотидов. И все же на весь мир прогремело имя индийского ученого X. Корана, который химически синтезировал в США "короткий" ген, свойственный дрожжевой клетке, содержащий лишь 77 нуклеотидов.

На более легкий путь генетики встали, когда в 1970 году был открыт американцем X. Теминым особый фермент, получивший название обратной транскриптазы. Этот фермент обладает уникальной способностью "считывать" ДНК-овые структуры гена с его РНК-овых информационных копий. Вот его-то и применили, чтобы синтез генов сделать иным, ферментативным.

Ферментом обратной транскриптазой "списывают" молекулу гена с матрицы в виде молекул его информационой РНК. Советские и американские ученые, используя этот метод, совместно выполнили в 1973 году в Москве ферментативный синтез гена голубя.

Точно так же может быть получен любой ген. Однако пока еще затруднено выделение индивидуализированных молекул информационных РНК. Тем не менее можно все же надеяться, что не так уже далеко время, когда человек сумеет заняться переделкой генетической программы микроорганизмов, растений и животных.

Задача № 3 - искусственное включение "спящих" генов на этапах развития, не предусмотренных генотипом хозяина, или стимулирование "бодрствующих". Вероятнее всего, эта задача будет решена раньше задачи № 2. И, возможно, не генетиками, а биохимиками или физиологами, а то и агрономами.

Вообще ныне бытует ошибочное мнение о том, что перспективы принадлежат только молекулярной генетике, а генетика на уровне клеток и организмов уже отжила свое. Это далеко от истины. Можно твердо сказать, что молекулярная генетика, находящаяся сейчас на стадии постэмбрионального развития, в пору своего возмужания все же останется на роли подсобного рабочего или технического исполнителя прикладной генетики, служащей практике.

Молекулярная генетика может стать орудием, уничтожающим все живое на планете, но тогда она изживет и самое себя. Будем надеяться, что этого никогда не случится. В создании же жизненных благ - труднейшая проблема, которую решает все человечество - ей всегда будет принадлежать лишь вспомогательная роль.

Заслугой молекулярной генетики как послушного исполнителя прикладной генетики (или биохимии) является, например, выявление возможности гибберелловой кислоты активизировать работу генов амилазы, что помогает в поиске карликовых форм пшеницы. Их выявляют при опрыскивании проростков кислотой. Если достаточно генов амилазы в эндосперме семян пшеницы, у проростков увеличивается "производство" фермента и повышается интенсивность роста. Следовательно, карликами они уже быть не могут, а потому для селекции карликовых и полукарликовых форм особого интереса не представляют.

Очень многого от молекулярной генетики ожидают медики. Генетики-медики (а на эту стезю вступил и один из первооткрывателей двойной спирали ДНК Дж. Д. Уотсон) показали способность Т-четных фагов - крупных, сложно организованных бактериофагов - запускать синтез ДНК, то есть обеспечивать ее репликацию (самоудвоение), а Уотсон высказал предположение, что вирусы животных несут гены, могущие включить синтез ДНК в клетках хозяев. Действительно, у зеленой мартышки в 1960 году был открыт вирус SV-40, существующий у них в безобидной скрытой форме, а у новорожденных хомяков, крыс и мышей вызывающий рак. Это еще не познанное явление заставляет задуматься. Не несут ли подобного вируса домашние животные и не сказывается ли это на человеке?

Важнейшая проблема медицинской генетики - избавить человечество от наследственных болезней.

Гипертония и атеросклероз в 3-5 раз выше у людей с генетическими предрасположениями. Мутациями обусловлено почти две трети глухонемоты и слепоты. Общее число зафиксированных враждебных здоровью генных мутаций достигает 1600.

Эти задачи, которые никто не возьмется пронумеровать по степени их важности, ныне решают совместно медики-генетики, терапевты, психологи, физики, химики, математики и специалисты многих других смежных или далеких друг от друга отраслей.

Задача № 4 - создание банка генов животных, растений и микроорганизмов. С растениями иметь дело проще всего - можно сохранять семена. Такой банк в СССР уже действует на Кубани. Неизмеримо труднее создать банк генов животных. Устроить узкоспециализированные зоопарки и заповедники и сохранять там по 50-100 животных одного вида невозможно. Это не решит проблемы: к тому же обязательно начнется дрейф генов - случайное их изменение и накопление вредных, что неизбежно при близкородственном размножении.

Сохранять решили лишь геномы в виде замороженных тканей, спермы и зародышей. В среду, в которой сохраняют клетки и ткани, добавляют криопротекторы - соединения, защищающие клетки и ткани от гибели при охлаждении и замораживании до -79-196 градусов Цельсия. Охлаждение проводят медленно, понижая температуру примерно на градус в минуту. Иногда клетки и ткани в замороженном виде удается сохранять десятки лет. Экономическая выгода налицо. Ведь от одного быка-производителя можно при искусственном осеменении размороженной спермой за год получить до 10 тысяч телят. Кроме того, сперму можно перевозить.

В Австралии уже не первый год действует закон, запрещающий ввоз животных из других стран, поэтому животноводы завозят вместо них оплодотворенные яйцеклетки (от коровы за год их можно получить примерно 25 и вырастить 10-12 телят). Выгодно и с точки зрения карантина почти безопасно.

Сейчас ведут опыты по замораживанию и сохранению спермы примерно у сотни видов животных и замораживанию зародышей - у пяти видов, в том числе, кроме крупного рогатого скота, у овец, коз и кроликов.

В СССР разработана программа создания в системе Академии наук СССР всесоюзной коллекции клеточных культур, включающей банк половых клеток. Таким образом, недалеко время, когда животных будут сохранять и получать из своеобразных "консервов" половых и соматических клеток и молодых зародышей.

Растения получать из ткани или клетки проще, чем животных. Генетики-растениеводы и физиологи научились отделять клетки друг от друга, приготовлять из них суспензию и, добавляя гормоны, соли и витамины, воссоздавать растения из одной клетки. Такой искусственный морфогенез (воссоздание) осуществлен неоднократно у многих видов растений - гороха, томата, табака, льна, петунии, капусты и различных злаков. Получают целые растения из пыльников и пыльцевых зерен - гаплоиды или самоудвоившие набор хромосом дигаплоиды ("двойные гаплоиды" с нормальным набором хромосом - почти идеальный материал для генетических исследований и целей прикладной генетики).

Сначала из клетки или пыльцы образуется неоформленное хаотичное скопление клеток, комок - каллус. Его, как и пыльцевые зерна некоторых видов, порой можно чуть ли не до бесконечности хранить в замороженном виде (например, в жидком азоте) или почти неограниченно долго культивировать. Если добавить гормоны, каллус начнет оформляться в побег или растение. В цветоводстве этот прием оказался у ряда видов выгоднее обычного вегетативного или семенного размножения.

Сохранить генофонд всего сущего на Земле в контролируемых условиях банков и эксперимента - задача генетиков, растениеводов и животноводов. Сохранить живую природу по возможности во всем ее богатстве и многообразии - проблема всего человечества.

Промышленная деятельность человека обусловила внесение в биосферу чужеродных ей химических соединений, многие из которых физиологически активны.

Микробиологи всего мира работают над созданием микроорганизмов для биологической очистки отходов промышленности, генетики ищут тест-системы (микроорганизмы, растения, животные, культуры тканей или клеток), которые могли бы просигнализировать человеку об опасном повышении уровня вредных физиологически активных веществ.

Задача № 5 - получение межвидовых и более отдаленных гибридов без полового скрещивания (парасексуальная, или соматическая, гибридизация). Этот способ привлек внимание ученых после того, как появилась возможность освобождать растительные клетки от целлюлозной оболочки при помощи фермента целлюлазы. Такие "голенькие" клетки биологи называют протопластами. У растений они способны восстановить при определенных условиях содержания целлюлозную оболочку. Вот только с протопластами микробов дело сложнее - не желают они длительное время делиться и размножаться без своей "одежки". Оказались "стыдливее", чем клетки высших растений.

Получение парасексуальных гибридов у растений табака: 1 - клетки двух родительских видов в виде протопластов; 2 - клетки, вешенные в NaN03; 3 - центрифугирование смеси клеток; 4 - рассеветок на агаре; 5 - рост гибридных клеток; 6 - подвой родительского да; 7-8 - прививка парасексуального гибрида; 9 - проростки из семян привоя, повторяющие амфидиплоид, полученный половым путем

Американскому исследователю П. Карлсону удалось слить протопласты двух видов табака в один, причем этот гибрид оделся целлюлозной оболочкой, начал делиться и дал побег, который Карлсон привил на один из родительских видов и получил зрелое растение.

Позднее канадские биологи применили для слияния протопластов полиэтиленгликоль, повышающий слипание клеток и некоторых вирусов, и добились почти полного слияния всех протопластов (Карлсон получал положительный результат не более чем у сотой доли процента).

Еще дальше пошли сотрудники центра ядерных исследований (ФРГ) У. Циммерман и П. Шерич, опубликовавшие в 1981 году простой метод слияния клеток при помощи электрического поля. Этот метод не только оказался более эффективным, чем канадский, но и обеспечил лучшую жизнеспособность гибридов.

Используя новые методы, ныне соединяют воедино ранее не соединимое - клетки сои и ячменя, моркови и ячменя, гороха и сои, табака и сои и даже растений и животных. Иногда удавалось вырастить и половозрелые гибриды.

Биологи-фантасты теперь мечтают создать гибриды пшеницы с бобовыми, которые содержали бы белка не меньше, чем горох или соя (30-40 процентов), и одновременно усваивали бы с помощью клубеньковых бактерий бобовых азот из воздуха. Думаем, эта мечта не так уж далека от осуществления. Пока же ученые, видимо, будут испытывать гибриды "попроще", допустим, на основе близкородственных видов и родов. Может быть это поможет разгадать секреты гетерозиса и, главное, получить гетерозисные растения для промышленного производства.

Важная проблема генетики - поиск мутагенов, способных специфически воздействовать на многоклеточные организмы. Их пока известно не так уж много. Например, воздействие алкалоидом колхицином увеличивает число наборов хромосом в клетках лекарственных растений. У таких искусственно полученных полиплоидных форм повышается содержание некоторых веществ - ценного сырья для медицинской промышленности.

Большие надежды возлагают ученые на исследования мутагенного действия на организмы чужеродной (экзогенной) ДНК. Изучение мутагенного действия ДНК, а позднее и вирусов показало возможность вызывать у многоклеточных организмов мутации преимущественно определенных генов. По-видимому, для каждого организма в конце концов подберут препарат ДНК или других родственных ей макромолекул либо вирус, которые способны вызывать мутации организма в нужном человеку направлении. Генетики предполагают выполнить синтез полидезоксирибонуклеотидов известного химического состава и использовать их для направленного мутагенеза.

Конечно, при этом нужно учесть и то обстоятельство, что гены могут изменять свое действие под влиянием среды (как внешней, так и внутренней). Даже такие факторы, как освещенность и элементы питания, стимулируют, подавляют или изменяют активность генов. Чувствительность растений к длине дня и освещенности, как показали исследования, контролируется одним или немногими генами.

Фотопериодическая реакция (реакция на длину дня и температуру) изменяет уровень многих физиологических и морфологических компонентов, определяющих накопление биомассы и ее распределение по органам растений. Выяснилось, что один или немногие гены, чувствительные к длине дня и температуре, могут оказывать огромное влияние на большое количество других генов, входящих в систему формирования урожая. К сожалению, очень мало или почти ничего не известно об изменении активности отдельного гена в случае изменения активности другого гена или сотен и тысяч иных.

Из ближайших задач, которые решают селекционеры и генетики сегодня, проблема связывания двуокиси углерода в растении, ассимиляции нитрата и продукции сухого вещества. Генетики и физиологи полагают, что использование солнечной энергии растениями с 0,1-5 процентов можно довести до 10 процентов, если внедрить в них гены, обусловливающие синтез ферментов, связывающих двуокись углерода. Этот элемент и будет использован растением для воспроизведения сложных органических соединений.

Большие выгоды сельскохозяйственному производству сулит решение проблемы обеспечения культурных растений азотом. Доказано, что утилизация нитрата и, следовательно, образование в растении сухого вещества и формирование урожая ограничиваются действием фермента нитроредуктазы. Генетическая активность этого фермента изучена. У кукурузы, например, она контролируется двумя генами. Установлено, что гетерозис культуры наблюдается лишь при скрещивании линий с низкой активностью фермента, а при скрещивании линий высокоактивных с низкоактивными наследуется урожай лучшего родителя.

Отбор форм растений, нечувствительных к фотопериоду, позволяет существенно повысить приспособляемость сорта к условиям среды. Такими оказались сорта пшеницы лауреата Нобелевской премии Борлоуга из Мексики, несущие гены низкорослости японского сорта Норин. Они способны давать высокие урожаи зерна при повышенных дозах удобрений и орошении не только в Мексике, но и в Индии, Пакистане и других странах. На их основе созданы лучшие короткостебельные сорта Индии.

В нашей стране планируется селекция по комплексу генов, отвечающих за адаптивные (приспособительные) свойства организмов (устойчивость к болезням и вредителям, эффективное усвоение удобрений при минимальном расходе влаги, восстановление роста после резких опасных для растений перепадов погодных условий, возможность сохранения урожая при широком диапазоне влажности и температурных условий хранения).

Перестраивается и селекция животных. Их необходимо ныне адаптировать к требованиям индустриального животноводства - "отучить" от прогулок на свежем воздухе и кормления на необозримых лугах и "приучить" к содержанию под крышей ферм. При этом животные "обязаны" повысить продуктивность, не впадать в депрессивное состояние от шума механизмов, спокойно относиться к любому "коллективу" себе подобных и в то же время не быть подверженными эпидемиям из-за скученности.

Многим известен "затравленный" вид диких животных, посаженных в клетки. Они либо чрезмерно агрессивны по отношению к человеку, либо панически его боятся, порой отказываются от пищи, склонны болеть, страдать судорогами, каталепсией и не способны к воспроизводству. Генетики-звероводы предполагают "исправить" их поведение, "привив" животным доверчивость к людям.

Генетика, селекционеры вынуждены перестраивать селекцию не только домашних животных, но и обитающих на свободе, и в первую очередь рыб. Не секрет, что уловы многих ценных видов рыб падают. В Мировом океане ежегодно отлавливают примерно 70 процентов всего прироста рыб. И сколько еще их гибнет от загрязнений нефтью, химикатами, попадающими в океан.

Наши генетики подумали о судьбе горбуши, разводимой на Сахалине. Было установлено, что стадо горбуши, идущее на нерест в реки, представляет собой генетическую систему, состоящую не менее чем из трех компонентов. С учетом этого удалось наладить воспроизводство рыб ценного вида.

В проблеме белка не последнюю роль отводят микроорганизмам. Создан штамм бактерии псевдомонас с несколькими плазмидами (в них находятся гены, кодирующие процессы расщепления углеводородов), к которому добавили еще и азотфиксирующий штамм. Они оказались способными утилизировать отходы нефтеперерабатывающей промышленности, превращая их в белковый продукт. Используются и дрожжи, которые преобразуют в белковый корм солому и обыкновенные опилки. Продолжается разработка методов создания искусственных форм микробов, вырабатывающих жиры, которые по качеству не уступают растительным жирам.

И, наконец, еще об одной задаче, можно сказать первостепенной важности, которая стоит перед биологами любых толков и специальностей - это создание искусственной живой системы, в сущности первого живого организма. Познание истоков жизни совершит революцию как в сельском хозяйстве, так и в медицине. Добиться этого очень сложно, но и крайне необходимо.