Введение к работе
Актуальность исследований. Работа посвящена сравнительному изучению структуры популяций видов грибов с преобладанием полового и бесполого размножения. Основные исследования проведены на двух хозяйственно важных видах: 1) фитопатогенном грибе Pyricularia oryzae Cav. (телеоморфа Magnaporthe grisea; класс Ascomycetes) -возбудителе одного из наиболее вредоносных и распространенных заболеваний риса, характеризуется гаплоидным циклом развития; и 2) базидиальном грибе вешенка (Pleurotus pulmonarius (Fr.) Quel, и P. ostreatus (Fr.) Kumm.) с четко выраженным гапло-дикариотическим жизненным циклом. Вешенка является вторым после шампиньона по объему производства культивируемым видом. Изучение популяционной структуры данных видов и анализ протекающих в природе микроэволюционных процессов в значительной степени способны расширить возможности использования природных генетических ресурсов видов съедобных грибов и повысить эффективность борьбы с фитопатогенами.
Грибы образуют популяции, описание которых обычно не подходит под классические модели популяционной генетики. Часто бывает сложно разграничить не только популяции, но и грибные индивидуумы в природе, и это, прежде всего, связано со сложными системами рекомбинаций, характерными для грибов. На популяционную структуру вида оказывают влияние многие факторы, и, в первую очередь, такие как способ размножения и распространения гриба в природе, доля полового и бесполого воспроизведения. Кроме того, многие виды грибов обладают сложной внутривидовой структурой, характеризующейся наличием видов-двойников, что может быть следствием как дифференциации вида в целом, так и особенностей паразитизма на различных растениях-хозяевах у фитопатогенов. Особенности жизненного цикла и тетраполярной системы половой совместимости, теоретически обеспечивающей высокую степень панмиксиса, а также наличие системы вегетативной несовместимости, которая позволяет очертить границы отдельных клонов (индивидуумов) в пространстве, определили выбор видов рода Pleurotus в качестве модельного объекта в данном исследовании. Выбор фитопатогенного гриба P. oryzae был обусловлен особенностями бесполого размножения, связанными с формированием клональных популяций с высоким уровнем природного полиморфизма.
Несмотря на многочисленные популяционные исследования грибов, до сих пор не было проведено обобщающего анализа, который позволил бы не только детально охарактеризовать популяционно-генетическую структуру видов с различными системами размножения, но и выдвинуть концепцию о главенствующей роли способа размножения грибов в формировании структуры популяций и биологического разнообразия в целом.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы было провести сравнительное исследование особенностей структуры популяций грибов, имеющих различные системы размножения и показать, как системы размножения влияют на формирование популяционной структуры вида, а также применить популяционно-генетические подходы в прикладных исследованиях. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
рос. н>\і:«пн*льная
И i"'»TFv А
2figr)PK .
-
Определить степень генного и генотипического разнообразия в популяциях базидиальных грибов из рода Pleurotus и фитопатогенного аскомицета Magnaporthe grisea (анаморфа P. oryzae), утратившего половую стадию;
-
Провести сравнительный анализ уровня изменчивости в популяциях агамных видов и видов с преимущественным половым воспроизведением;
-
Оценить вклад полового и бесполого размножения, инбридинга в структуру панмиксных популяций;
-
Охарактеризовать популяционно-генетическую структуру изучаемых видов, степень генетической дифференциации, а также факторы, влияющие на формирование данной структуры;
-
Использовать популяционно-генетические подходы и параметры в прикладных целях -мониторинг мутагенов в окружающей среде и жизнеобеспечение космических аппаратов, культивирование съедобных грибов.
Научная новизна. Впервые исследована генетическая структура популяций вешенки и пирикулярии на территории России. Установлен вклад рекомбинации, генного дрейфа, миграции и отбора в изменении структуры популяций данных видов. Генетическими методами подтверждено наличие двух видов вешенки, имеющих перекрывающиеся морфологические признаки, и высказана гипотеза о том, что дивергенция популяций, приведшая к аллопатрическому видообразованию, вызвана адаптациями к разным погодным условиям. Впервые в природных условиях обнаружен новый тип рекомбинации между штаммами вешенки - ди-мон скрещивания. Обнаружен высокий процент ауксотрофных штаммов в природных популяциях пирикулярии. Новый оригинальный, разработанный в нашей лаборатории метод пеллетообразования позволил проводить генетический анализ базидиальных грибов без скрещиваний, значительно ускорить и расширить рамки популяпионно-генетического анализа. Показана чрезвычайно высокая вариабельность и высокий уровень внутриклональной спонтанной изменчивости возбудителя пирикуляриоза риса P. oryzae в природе, сопоставимый с внутрипопуляционным. Предложено проводить многократные клонирования штаммов, используемых в работах при дифференциации рас фитопагогена.
Результаты работы вносят существенный вклад в развитие концепций популяционной биологии грибов и микроэволюции видов. На основе обобщенного анализа результатов предложены подходы к выбору адекватных популяционно-генетических параметров для оценки внутривидового разнообразия и структуры природных популяций грибов с различными жизненными циклами.
Впервые проведенный молекулярно-генетический анализ семейства лакказных генов у культивируемого шампиньона A bisporus показал их тандемную организацию в геноме и дифференцированную экспрессию в зависимости от жизненной фазы гриба.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Впервые подходы, используемые в популяционной биологии, были применены для анализа генотипического разнообразия практически важных видов съедобных грибов, а также доминирующих видов микобиоты орбитального комплекса «Мир». Метод
пеллетообразования использован для оценки мутагенного фона среды обитания на орбитальном комплексе «Мир» в рамках программы «Биоконт» и «Полиген» при сотрудничестве с ИОГен РАН. Показано, что анализ генетической вариабельности и полиморфизма видов грибов может быть одним из подходов в оценке критических мест обитания с высоким содержанием поллютантов и способности популяций адаптироваться к кардинальным изменениям условий среды обитания, а использованные в данном исследовании изозимные и полиморфные ДНК признаки могут служить специфическими диагностическими маркерами на обширной пространственной и временной шкале.
Впервые в России был проведен сравнительный анализ коммерческих сортов и штаммов шампиньона и вешенки на основании белковых и ДНК-полиморфизмов, что позволило установить генетическое родство сортов и провести их молекулярную паспортизацию, что важно в практике грибоводства как для мелких хозяйств, так и для крупных производителей съедобных грибов, поддерживающих в своих лабораториях под разными названиями огромные коллекции зачастую генетически идентичных сортов. Сравнительный анализ биодеструкционной активности природных штаммов и культивируемых сортов вешенки -важного фактора в эффективном освоении субстратов, - позволил рекомендовать некоторые штаммы для внедрения в промышленное культивирование.
Выдвинутые теоретические положения работы используются в курсе лекций и на практических занятиях по генетике грибов на кафедре микологии и альгологии МГУ.
Благодарности автора. Выражаю глубокую признательность зав. каф. микологии и альгологии МГУ проф. Ю.Т. Дьякову за постоянное внимание и поддержку в работе, а также ценные замечания, высказанные в ходе ее обсуждения. Моя искренняя благодарность директору Института общей генетики, академику РАН Ю.П. Алтухову за проявленный интерес к работе и предоставленную возможность проведения ряда экспериментов, а также сотрудникам Института Ю.С. Белоконь и М.М. Белоконь. Особая благодарность моим английским коллегам Кристоферу Сёрстону и Мелвину Смиту за теплоту и неоценимую помощь во время проведения экспериментов в Королевском колледже Лондона. Выражаю благодарность студентам и аспирантам кафедры микологии и альгологии И.С. Дружининой, А.Э. Бондареву, О.В. Штаер за помощь и участие в сборе природного материала и проведении некоторых экспериментов.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на теоретических и практических семинарах по популяционной биологии грибов на кафедре микологии и альгологии МГУ; были представлены на конф. «Грибы в биогеоценозах» (Ташкент, 1985), «Экологическая генетика растений и животных» (Кишинев, 1987); Конф. молодых ученых МГУ (Москва, 1983, 1984, 1985); Всесоюз. совещаниях по проблемам фитопатологии (Пущине, 1983; Рига, 1986); Междунар. конф., поев. 80-, 85-яетюо каф. микологии и альгологии (Москва, 1998, 2004), 90-летию ЗБС МГУ (Москва, 2001); Междунар. конгрессам «Наука и практика грибоводства» (Кашира, 1996; Москва, 1997); V Всерос. популяцион. семинаре (Казань, 2001); Конф. по биоразнообразию (Пенза, 2001); Конф. и съездах генетиков и селекционеров (Москва, 2003, 2004); Междунар. IY, YI, YII Микологических конгрессах (Регенсбург, 1994; Иерусалим, 1998; Осло, 2002); Европ. конф. по генетике грибов (Люнтерен, 1994; Леон, 1998;
Копенгаген, 2004); XIII и XIV Конгр. европ. микологов (Мадрид, 1999; Кацивели, 2003); Ш и IV конф. по генетике и клет. биологии базидиомицетов (Лондон, 1995; Нижмеген, 1998); ГХ X Конгр. по прикл. микробиологии и микологии (Сидней, 1999; Париж, 2002); I съезде микологов России (2002); Конгр. по медицинской микологии (Москва, 2004, 2005) и медицинским грибам (Паттая, 2004, Шанхай, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 74 работы.
