Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Изменчивость и отбор. Обзор литературы . 10
1.1. Значение изменчивости для процессов эволюции
1.1.1. Модификации 12
1.1.2. Морфозы. Фенокопии К
1.1.3. Мутации 18
1.2. Действие морфогенов в индивидуальном развитии 22
1.2.1. Дискретность процессов онтогенеза. Теория чувствительных периодов .... 22
1.2.2. Неспецифичность и специфичность действия морфогенов 24
1.3. Гипотезы о природе фенокопий 29
1.4. Генетическая изменчивость и отбор ... 32
1.4.1. Виды естественного и искусственного отбора 32
1.4.2. Генетические процессы, происходящие в популяциях при отборе 36
1.4.3. Модификационкая изменчивость и отбор 46
1.4.4. Гипотезы о наследственном закреплении модификаций 49
Глава II. Материал и методы 58
2.1. Линии дрозофилы 58
2.2. Исходные популяции дрозофилы 58
2.3. Химические морфогены 60
2.4. Учет морфозов 60
2.5. Программа отбора и изучение его результатов 64
Глава III. Результаты исследований и их обсуждение 67
3.1. Действие химических морфогенов в онтогенезе дрозофилы 67
3.1.1. Влияние дигидропиридинов на частоту появления морфозов у дрозофилы 67
3.1.2. Влияние аминопропионовых кислот на частоту появления морфозов у дрозофилы 76
3.1.3. Влияние некоторых аминов и амидов на частоту появления морфозов у дрозофилы 84
3.1.4. Влияние солей тяжелых металлов на частоту появления морфозов у дрозофилы .. 86
3.1.5. Зависимость частоты хемоморфозов от возраста родительских особей дрозофилы 89
3.2. Искусственный отбор на изменение частоты хемоморфозов 93
3.2.1. Влияние генотипа.на частоту морфозов у дрозофилы 93
3.2.2. Изменение частоты хемоморфозов под действием искусственного отбора 96
3.2.3. Искусственный отбор на изменение частоты хемоморфоза светлое тело в гибридных популяциях, содержащих гены
3.2.4. Изменение частоты хемоморфозов в гибридных популяциях под действием естественного отбора 118
3.2.5. Изменение генотипической структуры гибридных популяций под действием естественного и искусственного отбора 122
3.2.6. Оценка приспособленности популяций дикого типа, прошедших длительный отбор по частоте хемоморфоза светлое тело 124
3.2.7. Наследование признаїса "частота хемоморфоза светлое тело" у дрозофилы .. 129
Заключение 134
Выводы 137
Литература 139
Приложение 158
- Значение изменчивости для процессов эволюции
- Линии дрозофилы
- Действие химических морфогенов в онтогенезе дрозофилы
Введение к работе
Строением функционирование генетических систем в настоящее время изучаются на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях. Особое внимание уделяется популяции как основной эволюирующей единице, а также отбору, как одному из основных факторов эволюции, который векторизует действие всех остальных факторов на генетическую структуру популяций и действует на уровне отдельных особей. В свою очередь каждая особь является носителем признаков, которые являются конечным результатом реализации наследственной программы в процессе индивидуального развития. Для эволюции, как хорошо известно, значение имеет генетически обусловленная изменчивость признаков. Ненаследственная изменчивость рассматривается как контролируемая генотипом способность живых существ определенным образом реагировать на изменения внешней среды, что обеспечивает их выживание в новых условиях.
Отбор либо закрепляет в популяции все наследственные изменения структуры и функции, ведущие к повышению приспособленности отдельных особей и их потомков, либо отметает те из них, которые ведут к понижению приспособленности. Методы генетического анализа, широко используемые в экспериментальной популя-ционной генетике, основаны на представлении о дискретном характере наследственных факторов - генов. Каждая особь рассматривается как носитель набора признаков и определяющих их генов. Изменение частоты благоприятных генотипов и фенотипов год влиянием отбора приводит к изменению всей генотипической и фено-типической структуры популяций. В последнее время всё большее признание получает представление о том, что не мозаика изоли- рованных признаков, а целый фенотип как єдиная система выступает в качестве единицы отбора, через единый фенотип проявляется взаимосвязанность генетической системы организма.
Системный подход к генотипу и фенотипу привлекает внимание к ещё одной важной проблеме, относящейся как к генетике развития, так и к популяционной генетике, - к проблеме устойчивости отдельных организмов и целых популяций к воздействиям средовых факторов.
В настоящее время является хорошо установленным фактом, что в течение осуществления программы индивидуального развития происходит регуляция активности отдельных генов. Но и сама эта программа определена генетичесіаши особенностями вида в целом. Все отклонения от нормального хода процессов онтогенеза проявляются в виде появления у особей изменений, которые хотя и не передаются потомству, но повторно возникают с определенной частотой. Эта частота монет характеризовать уровень помехоустойчивости в процессе индивидуального развития особей каждой конкретной популяции.
Стабильность в осуществлении процессов онтогенеза имеет большое значение для живых организмов, так как гарантирует формирование особи, обладающей всеми структурами и функциями, необходимыми для выполнения своего основного жизненного предназначения - размножения. Средовые условия, таким образом, с одной стороны, корректируют проявление отдельных признаков, а с другой - являются тем "ситом", которое определяет адаптивную ценность каждой особи и целой популяции. В таком показателе, как помехоустойчивость онтогенеза к воздействию внешней среды, интегрируется ответ на эти воздействия каждого отдельного организма, а также всей популяции как системы, имеющей сложное стро- _ 7 -ение и взаимосвязь определяющих её структур и функций.
Системный подход к фенотипу, генотипу, ко всей популяции, а также к самому процессу отбора, открывает новые возможности и перспективы для их изучения. Такой подход к отбору осуществляется в настоящее время исследованиями, определяемыми концепцией ассоциативного отбора, в основу которой положено понятие о тесной ассоциированности элементов, как одного из ванных условий возникновения и существования биологической организации на разных уровнях ( Савченко,1980,1984 ). Различают генотипи-ческую и фенотипическую ассоциацию признаков в популяции. Первая обусловлена сопряженной изменчивостью и стабильностью между более или менее обширным набором различных генов в популя-ционной системе и количественно может быть описана различными генетико-статистическими параметрами, характеризующими популяцію. Соответственно, в каждой популяции не составляет труда изучить и ко л 1-н ее тв енно оценить элементы фенотипической структуры и ассоциации признаков.
Концепция ассоциативного отбора открывает возможности и для проведения исследований по изучению стабильности популяци-онных систем при одновременном действии факторов внешней среды, не вызывающих изменение в наследственных структурах, и отбора, то есть для изучения систем адаптации целых популяций. На важность проведения работы в этом направлении указывал еще Шмаль-гаузен И.И. (1940), подчеркивая значение онтогенетической изменчивости в процессе эволюции вообще и адаптивной эволюции в частности. В настоящее время стало возможным, исходя из представлений об ассоциированности элементов генетичесшіх систем и их изменчивости и стабильности, осуществить исследование в этом направлении.
Изучение систем адаптации целых популяций имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение, так как многие факторы внешней среды, являясь результатом производственной деятельности человека, воздействуют на живую природу. Это действие не всегда является мутагенным, однако, вследствие постоянного присутствия в окружающей среде, морфогенные факторы включаются в процессы, обусловливающие жизнедеятельность организмов. Исследования в этом направлении имеют большое значение и для селекционеров, так как искусственный отбор осуществляется при разведении животных и выращивании растений в определенных средовых условиях, от которых в значительной мере зависит достижение желаемого результата. Особую ценность при этом представляют исследования, проводимые на модельных объектах.
Наиболее удобным объектом для проведения экспериментальной работы является Drosophila melanogaster , так как она генетически хорошо изучена, имеет короткий жизненный цикл и легко культивируется.
Целью настоящей работы явилось изучение изменчивости и стабильности процессов развития в популяционных системах при одновременном действии химического морфогена и искусственного отбора. В задачу исследования входило:
Изучение морфогенного влияния химических соединений на онтогенез линий дрозофилы, имеющих разный генотип.
Изучение возможности изменения частота хемоморфозов при проведении искусственного отбора.
Изучение изменения частоты хемоморфозов под действием естественного отбора.
Определение приспособленности линий и популяций, прошедших длительный отбор по частоте хемоморфозов.
Определение наследования устойчивости и чувствительности дрозофилы к действию химических морфогенов.
Работа выполнена в лаборатории теоретической генетики Института генетики и цитологии АН БССР в период с 1975 по 1977 год под руководством академика All БССР, доктора биологических наук, профессора, Лауреата Государственной премии БССР, заслуженного деятеля науки БССР П.Ф.Рокицкого, с 1977 по 1983 год - доктора биологических наук В.К.Савченко.
Посвящаю свою работу светлой памяти первого учителя на многотрудном пути научных исследований П.Ф.РОКИЦКОГО.
За постоянное внимание и руководство в работе свою искреннюю благодарность выражаю доктору биологических наук Владимиру Кирилловичу Савченко.
Значение изменчивости для процессов эволюции
Ненаследственные изменения организмов, или модификации, подразделяют на 2 типа: I) адаптивные модификации, которые возникают под воздействием естественных природных факторов среды и определяются нормой реакции, и 2) морфозы, которые возникают в результате воздействия экстремальных факторов в природе или эксперименте, а также физических или химических факторов, с которыми организм не сталкивается или очень редко в природных условиях.
На важность изучения модификаций, как в теоретическом, так и практическом отношении, указывали многие авторы С Кирпичников, Шмальгаузен,1968; Goldschmidt, 1957; Уоддингтон,І964 и др. ). Прежде всего эти сведения требуются для понимания того, как происходит реализация генетической информации, так как фенотип любого организма определяется не только генами, полученными от родителей, но и колебаниями условий среды, в которых организм развивается и существуете Исследование модификаций позволяет выяснить соотносительную роль и характер взаимодействия генотипа и среды в становлении фенотипа особи. В настоящее время известен ряд работ, посвященных этой проблеме. Так, Молотковым ( 1981 ) на озимых зерновых культурах показано, что степень наследственной и модификациоиной изменчивости тесно взаимосвязаны и вместе определяют норму реакции; Авдеев С 1981 ) высказывает мнение D возможности применения в селекции экстремальных агротехнических и средовых фонов с большой длительностью действия на растения не только как фон дифференциации имеющихся генотипов в популяции, но и как возможный фактор получения физиологических мутаций; Гужов С 1981 ) изучил удельный вес генотипической и мод ификациоиной изменчивости в фенотипическом проявлении хозяйственно-важных признаков у растений, используя метод модельных популяций; Смалько С 1981 ) разработал математическую модель нормы реакции растений на изменение температуры среды; Хотылева, Тарутина ( 1982 ) дали теоретический анализ взаимодействия генотипа и среды и представили экспериментальные данные об эффективности различных методов его оценки, основанные на дисперсионном и регрессионном анализах.
Линии дрозофилы
Drosophila meianogaster является удобным объектом исследований по генетике. Она легко культивируется, обладает высокой плодовитостью и быстрой сменой поколений. Дрозофила является наиболее изученным с генетической точки зрения биологическим объектом. В нашей работе было использовано несколько линий дрозофилы.
Линия Берлин - особи дикого типа. Линия black - особи несут мутацию "черное тело". Генлокализован во второй хромосоме С II; «8.5).-Линия ebony - особи несут мутацию "черное тело". Генлокализован в третьей хромосоме С III; 70,7). Линия 53-53-53 - особи дикого типа, изогенные по трем парам хромосом. Все культуры содержались в одинаковых условиях: в термостате при температуре 25+1С на стандартной питательной среде следующего состава: на I л воды - 40 г дрокжей, 40 г изюма С или 60 - 80 г сахара при отсутствии изюма ), 40 г манной крупы, б - 8 г агар-агара, 40 г патоки, 5 мл пропионовой кислоты.
2.2. Исходные популяции дрозофилы
Для экспериментов по проведению дисруптивного отбора по частоте хемоморфозов были использованы следующие популяции:
- 59 ДП - ш:пуляция "дикий тип", представляющая собой смесь изо-генных линий: особи кандой из них в течение многих поколений свободно скрещивались ыеаду собой в популяци-онном ящике.
А - популяция, полученная от скрещивания j) Берлин и 60 ebony.
В - популяция, полученная от скрещивания JJ ebony и 66
Берлин.
С - популяция, полученная от скрещивания ЭД) ebony и 00 black. А Д - популяция, полученная от скрещивания ($ black и 00 eb ony.
В экспериментах по отбору был получен целый ряд субпопуляций. Их условные обозначения:
ПДП - субпопуляция ДП, отбор на увеличение частоты хемомор фозов. ВДП - субпопуляция ДП, отбор на уменьшение частоты хемомор фозов. БП - сублиния Берлин, отбор на увеличение частоты хемомор фозов. БМ - Ь ублиния Берлин, отбор на уменьшение частоты хемомор фозов. 1,2 ПМ и МП - Fj и 2 реципрокных скрещиваний особей ПДП
и МДП. АП - субпопуляции А, отбор на увеличение частоты хемомор фозов. AM - субпопуляция А, отбор на уменьшение частоты хемомор
Действие химических морфогенов в онтогенезе дрозофилы
Наиболее полно морфогенная активность химических соединений разных классов изучена И.А.Рапопортом ( 1948 ) и его сотрудниками С Сахарова,Рапопорт,1972; Дроздовская,1974; Дроз-довская,Рапопорт,1974 ). И.А.Рапопорт ( 1965 ) отмечает, что " при помощи метода химических морфозов... удалось дать точные доказательства ферментативной природы многих первичных морфо-генны х продуктов. Следовательно, вторичные продукты можно отождествить с обычными продуктами взаимодействия ферментов и субстрата при различных энзиматических процессах." Большой интерес представляет специфичность действия многих химических соединений, дающая возможность направленно воздействовать на морфогенез дрозофилы.
В наших исследованиях была изучена морфогенная активность некоторых соединений гидрированных пир ид шов, аминопропионо-вых кислот, аминов, амидов и солей тяжелых металлов.
Влияние дигидропиридинов на частоту появления морфозов у дрозофилы
Изученные дигидропиридшш аналоги 1,4-дигидронииотин- амида, входящего в состав нуклеотидных коферментов НАД и НАД - соединений, распространенных во всех живых организмах и играющих ключевую роль в энергетическом и пластическом обме -ба не клетки (, Немчинская и др.,1971 ). Морфогенная активность гидрированных пиридинов была исследована на двух линиях дикого типа - Берлин и линии 53-53-53, изогенной по трем парам хромосом. Использовали как одноядерные (.опрепараты АУ-І53, АУ-І54 ), так и трехъядерные С препарата В 5, PP-I39, PP-I50 ) дигидро-пиридины.
Одноядерный дигидропиридин АУ-І54 не проявил морфогенной активности в линии Берлин и повысил количество измененных особей по сравнению с контролем в изогенной линии 53-53-53 С рис.3.1, приложение табл.1 ). Препарат АУ-І53, исследованный только на линии Берлин, также не вызвал достоверного возрастания выхода измененных особей по сравнению с контролем С рис. 3.1, приложение табл.1 ).
Трехъядерные дигидропиридины дали другую картину. Препарат В-5 существенно увеличил количество морфозов у особей обеих линий С рис.3.1 ), причем максимальное количество морфозов наблюдали при самой низкой концентрации 2 мг/мл ( рис.3.3, приложение табл.2 ). Можно предположить, что при высоких концентрациях этого соединения возникают настолько грубые нарушения морфогенеза, что они приводят либо к немедленной гибели особей, либо к их элиминации на последующих стадиях развития, однако, последнему предположению противоречит тот факт, что количество особей в опытных вариантах не уменьшалось по сравнению с контрольными С рис.3.4, приложение табл.3 ).
