Введение к работе
Актуальность исследования. Мейотическая рекомбинация эукариот - многоэтапный нелинейный процесс, заканчивающийся в профазе I мейоза кроссинговером или конверсией локусов (Rohr et al., 1997; Boer, Heyting, 2006).
Процесс рекомбинации тесно связан с другими важнейшими событиями профазы I мейоза, такими как: мейотическая когезия сестринских хроматид; формирование осевых элементов меиотических хромосом (ОЭ); направленное движение хромосом (сближение гомологов, формирование букета и.т.д.); синапсис хромосом, сопровождающийся формированием синаптонемных комплексов (СК) (Zickler, Kleckner, 1998; Богданов, 2003; Page, Hawley, 2004)-
На стадии лептотены профазы I мейоза вдоль каждой хромосомы формируется ОЭ, являющийся нуклеопротеидной осью хромосомы, связанной с ее когезиновым тяжем, удерживающим вместе две хроматиды. На стадиях зиготены и пахитены происходят сближение и синапсис гомологичных хромосом, ОЭ таких хромосом выравниваются по длине относительно друг друга и соединяются белковыми поперечными филаментами. Сформированная таким образом на основе двух ОЭ структура называется синаптонемным комплексом.
На взаимосвязанность процессов, происходящих в профазе I мейоза, указывает, например, то, что у многих организмов мутации генов когезии, генов ранней рекомбинации, структурных генов ОЭ и СК, и прочих приводят к нарушениям сборки осевых структур хромосом (Zolan et al., 1988; Celerin et al., 2000; Gerecke, Zolan., 2000; Merino et al., 2000; Shinohara et al., 2003; Hederson, Keeney, 2004). Поэтому ОЭ и СК удобно использовать в качестве цитогенетических индикаторов нарушений в профазе I мейоза.
Однако подобные индикаторные свойства ОЭ и СК можно использовать не только для анализа ранних меиотических мутаций. Нарушения сборки осевых структур меиотических хромосом могут служить также индикаторами направленных нарушений рекомбинации.
Примером направленных нарушений рекомбинации является снижение частоты мейотической рекомбинации у штаммов шампиньона двуспорового с вторично-гомоталличным (двуспоровым) жизненным
циклом (Royse, May, 1982; Summerbell et al., 1989; Kerrigan et al., 1993). Рекомбинационные нарушения у шампиньона представляют собой признак, прошедший отбор и вносящий свой вклад в обеспечение вторично-гомоталличного жизненного цикла.
Шампиньон двуспоровый Agaricus bisporus (Lange) Imbach культивируют с 17 века. В настоящее время он занимает лидирующие позиции по производству среди других культивируемых съедобных грибов (Callac, 1995)-
Всем культивируемым штаммам и большинству природных изолятов шампиньона свойственен вторично-гомоталличный жизненный цикл. При таком жизненном цикле базидии (мейотические спорангии базидиомицетов) в плодовых телах шампиньона формируют преимущественно гетерокариотические базидиоспоры. Каждая базидиоспора содержит по два ядра, совместимых по локусу типа спаривания. Такие базидиоспоры прорастают мицелием, способным к половому плодоношению без участия стороннего партнера (Miller, 1971; Elliott, 1972; Miller&Kananen, 1972; Raper et al., 1972).
Высокий процент гетерокариотических базидиоспор возможен, в том числе, благодаря неслучайному расхождению несестринских постмейотических ядер попарно в споры и подавленной рекомбинации. Нарушение рекомбинации приводит к косегрегации многих локусов шампиньона, в том числе МАГ-локуса, с центромерами. Последнее в сочетании с неслучайным расхождением несестринских ядер значительно снижает вероятность образования гомокариотических спор и обеспечивает высокую степень гетероаллельности генотипов потомства (Evans, 1959; Захаров, 2005).
Значительно реже встречаются природные популяции шампиньона двуспорового с гетероталличным (четырехспоровым) жизненным циклом. При подобном типе развития мицелия, в плодовых телах, после мейоза, образуются преимущественно гомокариотические базидиоспоры (каждая спора несет по одному ядру только одного типа спаривания). Такие споры дают начало первичному мицелию, не способному замкнуть жизненный цикл с половым процессом без участия совместимого полового партнера (Callac et al., 19935 Kerrigan et al., 1994).
У четырехспоровых штаммов (с гетероталличным жизненным циклом), в отличие от двуспоровых штаммов, значительных нарушений рекомбинации не обнаружено (Callac et al., 1997)-
Выбор пути развития мицелия генетически детерминирован и зависит от аллельного состояния BSN-локуса 1-ой хромосомы шампиньона, сцепленного с локусом типа спаривания (Xu et al., 1993! Imbernon et al., 1996).
О распределении рекомбинационных нарушений по геному и о механизмах таких нарушений у двуспоровых штаммов практически ничего неизвестно. Установлено лишь, что первая хромосома двуспоровых штаммов несет крупный участок с подавленной рекомбинацией, видимо, включающий центромеру и МАГ-локус. Нерекомбинантные участки есть и в других хромосомах двуспоровых штаммов шампиньона (Kerrigan et al., 19935 Callac et al., 1997).
Таким образом, основанием настоящего исследования, посвященного изучению рекомбинационных нарушений шампиньона, служили следующие предпосылки:
1. Нарушение рекомбинации у двуспоровых штаммов шампиньона и
низкая изученность механизмов такого нарушения.
Возможность использования структуры ОЭ и СК в качестве цитогенетического индикатора нарушений мейотической рекомбинации.
Многолетний мировой опыт использования метода анализа тотальных препаратов СК эукариот, в том числе грибов (Counce, Meyer, 1973; Pukkila, Lu, 1985; Dresser, Giroux, 1988; Loidl et al., 1991; Коломиец, 1998).
Наличие в коллекции кафедры микологии и альгологии МГУ четырехспорового штамма шампиньона. Такой штамм можно использовать для сравнения при анализе профазы I двуспоровых штаммов шампиньона.
Цели и задачи исследования. Целью настоящего исследования служил сравнительный анализ особенностей формирования осевых структур мейотических хромосом и других ядерных структур у штаммов шампиньона Agaricus bisporus с разными жизненными циклами и
установление возможных причин нарушения мейотической рекомбинации у двуспоровых штаммов.
Для достижения данной цели были поставлены следующие конкретные задачи:
і. Разработка метода получения тотальных препаратов распластанных ядер шампиньона, пригодных для электронно-микроскопического анализа синаптонемных комплексов.
Анализ связи между этапами морфогенеза плодовых тел шампиньона и становлением мейоза, направленный на выяснения стадий развития плодовых тел, позволяющих получить максимальный выход ядер на стадии профазы I мейоза.
Анализ ультраструктуры ядер четырехспорового штамма шампиньона (не имеющего значительных нарушений рекомбинации) на стадии профазы I. Кариотипирование на основе анализа синаптонемных комплексов. Установление особенностей морфологии различных внутриядерных структур, в частности, рекомбинационных узелков.
4- Анализ особенностей формирования осевых структур
мейотических хромосом у двуспоровых штаммов шампиньона, которым
свойственно снижение частоты мейотической рекомбинации.
5- Морфологический и статистический анализ различий в
ультраструктуре ядер между дву- и четырехспоровым штаммами
шампиньона.
Научная новизна работы. Впервые разработан метод получения тотальных препаратов ОЭ и СК шампиньона - метод распластывания мейотических ядер из протопластов, ферментативно выделенных из базидий шампиньона. Этот метод впервые использовали для исследования ОЭ и СК шампиньона, а подобный методический подход (ферментативное выделение протопластов) - впервые для мицелиальных грибов.
Впервые установлена связь между стадией морфогенеза плодового тела и становлением мейоза. В базидиях плодовых тел с интактным частным покрывалом мейоз течет с рядом нарушений, после разрыва частного покрывала - мейотический процесс в базидиях нормализуется.
Впервые цитогенетически исследована профаза I мейоза у одного из четырехспоровых штаммов шампиньона. Установлено, что профаза І у
такого штамма типична для большинства эукариот, за исключением некоторых нарушений в лептотене.
Шампиньон впервые кариотипирован на основе анализа тотальных препаратов СК. Установленное число N=13 соответствует числу, установленному ранее Керриганом и др. с помощью молекулярно-генетических методов кариотипирования (Kerrigan et al., 1993)-
Впервые описаны рекомбинционные узелки у шампиньона.
Обнаружены значительные ультраструктурные нарушения ядер на стадии профазы І у двуспоровых штаммов шампиньона, для которых характерна редукция частоты мейотической рекомбинации.
Впервые детально охарактеризованы структурные нарушения в ядрах двуспоровых штаммов шампиньона: неполное и атипичное формирование ОЭ и СК, нарушение процесса слияния ядрышек, появление поликомплекс-подобных структур в ядрах, редукция количества рекомбинационных узелков.
На основе сравнительных статистического и морфологического анализов особенностей формирования ОЭ и СК у дву- и четырехспорового штаммов предложена собственная модель, описывающая характер и механизмы рекомбинационных нарушений у двуспоровых штаммов шампиньона, в основу которой положена комплексная природа системы направленных рекомбинационных нарушений у шампиньона.
Практическая значимость исследования. Данная работа посвящена изучению направленных рекомбинационных нарушений у шампиньона двуспорового на основе анализа особенностей ультраструктуры ядер на стадии профазы I мейоза. Такое исследование имеет преимущественно фундаментальное значение и вносит вклад в понимание природы регуляции рекомбинации, особенностей мейоза шампиньона, обеспечения апогамных жизненных циклов и.т.д.
Практическое значение исследования обусловлено тем, что шампиньон является экономически важной и широко культивируемой сельскохозяйственной культурой. Селекционная работа с данным видом затруднена по причине традиционного использования в культуре вторично-гомоталличных штаммов. Особенности вторично-гомоталличного жизненного цикла усложняют проведение
гибридизации между штаммами шампиньона. Кроме того, атипичность раннего мейоза, по-видимому, приводит к снижению выживаемости спорового потомства.
Получение сортов шампиньона с классическими сортовыми признаками, но отсутствием рекомбинационных нарушений, может привести к увеличению продукции гомокариотических спор, важных для селекции, и улучшению выживаемости спорового потомства шампиньона.
Апробация работы. Материалы настоящего исследования доложены на конференции «Проблемы экологии и физиологии микроорганизмов» (Москва, 1999); на конференции «Памяти Грегора Менделя» (Москва, 200і); на конференции, посвященной юо-летию проф. А.Р. Жербака (Москва, 2002); на 1-ом съезде микологов России (Москва, 2002); на VTII международной конференции «Биология клеток растений in vitro и биотехнология» (Саратов, 2003); на Ш съезде ВОГИС (Москва, 2004); на XV Всероссийском совещании «Структура и функции клеточного ядра» (С-Петербург, 2005).
На конференции, посвященной юо-летию проф. А.Р. Жербака, работа отмечена почетной грамотой. Работа также представлена на конкурсе молодых ученых ИОГен РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 20o6) и заняла 2-ое место.
Результаты исследования отражены в трех статьях в реферируемых журналах и у сборниках тезисов научных конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит следующие разделы: Введение, Глава I. Обзор литературы, Глава II. Материалы и методы, Глава III. Собственные результаты, Глава IV. Обсуждение результатов, Заключение, Выводы, Список цитируемой литературы, включающий Л5 работ. Работа изложена на J5^f стр., содержит 4 таблицы и 42 иллюстрации.
