Наследственность

Геном. Геномом организма называют все его внутриклеточные структуры, способные к саморепликации и несущие ту или иную наследственную информацию. В грибной клетке к таким структурам относятся ядра (ядерный геном), митохондрии (митохондриальный геном), плазмиды.

• Ядерный геном у грибов по своему размеру занимает промежуточное положение между геномом бактерий и высших эукариот. Например, пекарские дрожжи имеют 15 хромосом, но каждая хромосома в среднем в 5 раз меньше «хромосомы» кишечной палочки и только в 4 раза больше ДНК бактериофага. В среднем размер генома у грибов на два порядка меньше, чем у высших растений. Число хромосом у разных грибов составляет 2—28, большинство видов имеет 10—12 хромосом. Гораздо более значительные колебания отмечены в размерах ДНК на гаплоидный геном: от 0,015 нг у дрожжей Saccharomycetes до 8,2 иг у зигомицета Entomophaga, т.е. более чем в 500 раз (разница в содержании ДНК у высших растений менее 100 раз). Наименьшие размеры генома имеет аскомицет Aeshbya gossypii— 9,7 млн нуклеотидных пар (н.п.): у сахаромицетных дрожжей 13,5 млн, у большинства грибов — 25—40 млн. Это самый маленький геном среди всех исследованных свободноживущих эукариот.

Структура ядерного генома грибов также промежуточная между бактериальным и геномом высших эукариот. У истинных грибов низкий процент повторяющихся последовательностей (10—15%), которые у бактерий почти отсутствуют, а у высших эукариот составляют значительную часть генома. Повторы в геноме грибов представлены почти исключительно рибосомальными генами. Исключение составляют оомицеты (псевдогрибы), в геноме которых повторы составляют 18—65%. Более мелкие, чем у высших эукариот, и грибные интроны (некодируемые последовательности ДНК, вырезаемые перед трансляцией). Таким образом, в процентном отношении протяженности ДНК, участвующей в синтезе белков, у грибов больше, чем у высших эукариот. У многих грибов обнаружены мелкие В-хромосомы. Число В-хромосом у разных штаммов, в отличие от нормальных хромосом, может быть различным. Следовательно, информация, закодированная в В-хромосомах, необязательна для обеспечения жизнеспособности клеток, но иногда важна для адаптаций к условиям жизни. Например, описаны фитопатогенные грибы, факторы вирулентности которых контролируются В-хромосомами, поэтому штаммы, не имеющие их, могут питаться только растительными остатками.

Митоз у грибов также имеет ряд специфических особенностей. 1. У большинства грибов ядерная оболочка сохраняется во всех фазах митоза (закрытый митоз). 2. Центриоли имеются только у небольшой группы грибов и псевдогрибов, обладающих жгутиковыми стадиями. У большинства грибов их заменяют более просто устроенные белковые структуры полярные тельца веретена (ПТВ), являющиеся организаторами микротрубочек и обозначающие полюса при митозе. З. Мелкие хромосомы и быстрое чередование фаз затрудняют микроскопические исследования митоза у многих грибов. Долгое время считали даже, что ядра грибов разделяются амитотически. 4. Несинхронная телофаза часто является причиной того, что в дочерние ядра иногда переходит неравное число хромосом (явление гетероплоидии). Особенно часто гетероплоидия обусловлена различием в числе В-хромосом. 5. У большинства грибов митоз не сопряжен с цитокинезом, а у ценотических (с неклеточным мицелием) видов цитокинез вообще редок и связан лишь с образованием органов размножения или ремонтом поврежденных участков таллома. Поэтому число ядер на клетку, как правило, больше одного и неопределенно.

Половая рекомбинация. У сумчатых и базидиальных грибов зиготическое диплоидное ядро без периода покоя претерпевает редукционное деление, причем участки цитоплазмы вокруг образующихся 4-гаплоидных ядер (тетрады) сразу или после еще одного митотического деления (октады) обособляются, покрываются оболочками и превращаются в мейоспоры. Таким образом, если диплоидное ядро было гетерозиготно по какому-либо гену, то по фенотипу потомства, полученного от каждой из 4 или 8 мейоспор, можно получить не статистически достоверные, как в опытах Г. Менделя с горохом, а истинные соотношения генов у родителей. Если фенотипический признак у родителей контролировался одним геном с аалелями А и а, то расщепление в тетрадном потомстве составит 2А: 2а, а в октадном — 4А: 4а.

Генетический анализ, основанный на изучении фенотипов непосредственных продуктов мейоза, называется терадным анализом. Он разработан у сумчатых грибов и широко применяется в генетике. У многих сумчатых грибов мейоспорангий (сумка) имеет удлиненную форму, 8 спор находятся в нем в линейном порядке, как горошины в бобе (рис. 182), причем в процессе мейотических и митотических делений плоскости веретена всегда ориентированы строго параллельно длинной стороне сумки. Поэтому, проанализировав потомство ядер, выделенных в том же порядке, в каком они находились в сумке, можно получить важную генетическую информацию: о сцеплении изучаемых генов, наличии кроссинговеров между ними, а также между генами и центромерами и др.

Гетерокариоз. Выше было отмечено, что: 1) многие грибы содержат более одного ядра в клетке; 2) клетки разделены неполными перегородками, и через поры в них ядра могут мигрировать из одной клетки в другую; З) гифы внутри одной колонии и двух разных колоний могут сливаться (анастомозировать), в результате чего возможен обмен ядрами разных штаммов. Эти свойства привели к тому, что у грибов чрезвычайно широко распространено явление разноядерности, или тетерокариоза, при котором в одной клетке длительное время сохраняются ядра, гетероаллельные по некоторым генам. Гетерокариоз заменяет гаплоидным грибам гетерозиготность, так как в гетерокариотических гаплоидных клетках, как и гетерозиготных диплоидных, имеют место доминантно-рецессивные отношения (маскировка рецессивного фенотипа доминантным). Однако если у гетерозиготных диплоидов соотношение аллельных генов жестко детерминировано и равно 1:1 (только у полиплоидов может быть иное соотношение аллелей), то при гетерокариозе число ядер в клетке не постоянно и соотношение аллелей может меняться, что способствует быстрой адаптации к меняющимся условиям. «Гетерокариоз — гибкий механизм физиологической адаптации, суть которого заключается в количественных изменениях качественно фиксированного множественного генома» (Станиер).

Парасексуальный процесс. Иногда гаплоидные ядра в многоядерных вегетативных клетках сливаются, вследствие чего образуются диплоидные ядра. Это явление очень редкое, не превышающее одного ядра на миллион, однако вследствие огромного числа ядер в талломах постоянно встречается в грибных популяциях. Если в гетерокариотичных клетках сливаются ядра, гетероаллельные по какому-либо локусу, возникает гетерозиготное диплоидное ядро. Оно может попасть в спору и дать начало диплоидному гетерозиготному клону. В процессе митозов диплоидные ядра могут возвращаться в гаплоидное состояние вследствие потери одного набора хромосом или в них может происходить обмен участками хромосом, подобный тому, который происходит при мейозе (митотический кроссинговер). Оба процесса сопровождаются рекомбинацией родительных генов и, следовательно, фенотипов. Рекомбинация без полового процесса получила название парасексуальной (псевдополовой).

Ядерные циклы. Жизненные циклы грибов также разнообразны, как и сами грибы. Основные циклы следующие:

1. Бесполый цикл. Характерен для огромной группы (несколько десятков тысяч видов) несовершенных грибов, утративших половое размножение. Деление их ядер исключительно митотическое (митотические грибы), поэтому плоидность ядер неизвестна. 2. Гаплоидный цикл. Ядра в вегетативном талломе гаплоидные. Диплоидная зигота (обычно после периода покоя) делится мейотически (зиготический мейоз) — зигомицеты, многие хитридиомицеты. 3. Гаплоидный цикл с ограниченным дикарионом. После слияния гаметангиев или гамет происходит сдвоение и синхронное деление ядер, полученных от двух родителей (стадия дикариона). После этого ядра сливаются и мейотически делятся без периода покоя. Мейоспоры дают начала новым талломам. Таково большинство аскомицетов. У этих грибов отсутствует пул скрытой изменчивости, так как все рецессивные мутации сразу проявляются фенотипически. 4. Гаплоидно-дикариотический цикл. Сходен с предыдущим, но стадия дикариона длительная, часто доминирующая в цикле (большинство базидиомицетов). 5. Гаплоидно-диплоидный цикл. Изоморфная смена генераций, изложенная в разделе, посвященном водорослям. В отличие от водорослей у грибов она встречается редко и описана у некоторых водных хитридиомицетов. 6. Диплоидный цикл. Вегетативный таллом диплоидный, мейоз — при формировании гаметангиев или гамет (гаметический). Характерен для оомицетов и некоторых сумчатых дрожжей. У этих грибов, как и у высших эукариот, возможно скрытое сохранение рецессивных мутаций в гетерозиготных ядрах и их появление в потомстве после половой или парасексуальной рекомбинации.

• Митохондриальный геном. В митохондриях грибов содержится митохондриальная (мт) ДНК. Она представляет собой набор кольцевых молекул ДНК размером от 20 до 100 тыс. нуклеотидных пар (н.п.). Наиболее глубоко исследован мт-геном у дрожжей Saccharomyces cerevisiae, у которых 20—70 молекул мтДНК (от 5 До 30% всего генома) упакованы в один или несколько нуклеоидов. Митохондриальная ДНК содержит гены, необходимые для синтеза собственных белков (гены рибосомальной и транспортных РНК), а также компонентов дыхательной цепи (цитохром-оксидазы, АТФазы и др.). Мутации или делеции (выпадения) мт-генов часто приводят к гибели или изменению фенотипа (низкая скорость роста, снижение активности дыхания и др.).

• IIлазмиды и вирусы. В геномах грибов обнаружены и другие самореплицирующиеся элементы — плазмиды и вирусы. Они содержат кольцевые или линейные молекулы ДНК или РНК, находятся в ядре, митохондриях или в цитоплазме и могут влиять на фенотипические признаки грибов. Например, некоторые митохондриальные кольцевые плазмиды вызывают у сумчатых грибов гибель мицелия, достигшего определенного возраста (феномен старения), наличие многих вирусов (все вирусы грибов имеют в отличие от клеточньгх организмов двухцепочечную молекулу РНК) вызывает дегенерацию мицелия и плодовых тел, потерю способности заражать восприимчивые растения (гиповирулентность) и другие симптомы.

• Вегетативная несовместимость. При лабораторных исследованиях выделенных из природы штаммов многих видов грибов оказалось, что часто их гифы не сливаются или же погибают после слияния. Это явление получило название вегетативная, или гетерокарионная, несовместимость, так как она препятствует формированию гетерокарионов. Веетативной несовместимостью управляет специальная группа генов, причем если любая пара генов у двух штаммов гетероаллельна, то эти штаммы будут несовместимы. Полагают, что вегетативная несовместимость защищает штаммы грибов от заражения плазмидами и вирусами, переносимыми через анастомозы.