Цитология, 2020, T. 62, № 3, стр. 220-224

Мейоз является универсальным биологическим процессом. Для изучения мейоза использовали самые различные объекты из представителей растительного и животного мира. Однако в проведении цитологических исследований мейоза особый интерес представляет пшеница мягкая Triticum aestivum L. Дело в том, что по своему происхождению она является аллогексаплоидом и включает в себя три генома: A, B, D, принадлежащих разным видам родов Triticum и Aegilops (Sax,1922; Авдеев, 2018). В состав каждого генома входит по 7 хромосом (2n = 14). На основании проведенного нуллисомно-тетрасомного анализа было установлено, что по три пары хромосом, принадлежащих разным геномам, обладают сходным содержанием генетической информации и являются гомеологами (Sears, 1966). После этого каждая хромосома получила двойное обозначение, в котором цифра указывает на принадлежность к конкретной гомелогичной группе, а буква – к геному. В результате такой нумерации каждая из 7 гомеологичных групп включает три хромосомы: 1А, 1B, 1D (группа 1), 2А, 2 B, 2D (группа 2), 3А, 3B, 3D (группа 3) и т.д. до 7.

Гомеологичные хромосомы способны конъюгировать между собой, образуя мультиваленты. В настоящее время установлено, что процесс диплоидизации аллогексаплоидной пшеницы обеспечивается сложным генетическим комплексом, в общей совокупности которого определяющая функция отводится гену Ph1. В настоящее время гипотезы, которые объясняют действия гена Ph1, относят в основном к двум категориям (Feldman, 1993; Liu Den-Cai et al., 2003): 1) локус Ph1 действует на предмейотических стадиях, управляя предмейотическим выравниванием гомологов и гомеологов; 2) локус Ph1 включается в исправление гомеологического синапсиса и подавление кроссинговера между гомеологами.

Способность анеуплоидов мягкой пшеницы сохранять свою жизнеспособность и давать потомство позволили Сирсу (Sears, 1954) создать на базе сорта Чайниз Спринг серию моносомных линий, в каждой из которых отсутствовала одна доза конкретной хромосомы (2n = 41). Позднее моносомные серии были созданы на базе еще семидесяти сортов различного происхождения (Worland, 1988).

Серия моносомных линий мягкой пшеницы является уникальным объектом для изучения мейоза, так как наблюдения за характером поведения унивалента при редукционном делении клеток позволяет выявлять те элементы мейотических процессов, которые в обычном эуплоидном состоянии генотипа остаются для наблюдателя незамеченными. Однако для этого необходим цитологический анализ мейоза полной серии моносомных линий с большим объемом выборки анализируемого материала и менделевский подход к результатам проведенных исследований. Что и было нами сделано.

Цитологический анализ анафазы I у моносомной части популяции показал, что характер поведения унивалента на данной стадии легко идентифицируется по его полярной ориентации. При этом выделяется три основных его типа: униполярный, когда унивалент вместе с другими хромосомами отходит к одному из противоположных полюсов; биполярный, когда унивалент расщепляется на хроматиды по типу митоза; аполярный, при котором унивалент не взаимодействует с полюсами и формирует микроядро в диадах.

По результатам проведенного цитологического анализа анафазы I у серии моносомных линий пшеницы соотношение частот трех типов поведения унивалента существенно варьировало по линиям. Чаще всего по униполярному типу вела себя в гемизиготном состоянии хромосома 2D (62.99%), реже – 4В (39.46%). Наибольшее количество анафазных клеток с биполярным типом поведения унивалента наблюдали по хромосоме 7А (47.56%), а наименьшее – по хромосоме 2А (10.57%). Максимальное же значение доли клеток с аполярным типом поведения унивалента имели растения, моносомные по хромосоме 7D (35.40%), минимальное (6.84%) – растения, моносомные по хромосоме 7А. По усредненным данным три типа поведения унивалента соотносятся как 49.80, 29.75 и 19.43% соответственно.

Проведенный цитологический анализ отдельных фаз мейоза у серии моносомных линий Triticum aestivum L. показал, что характер поведения унивалента в анафазе I во многом не согласуется с теми канонами, которые сложились в настоящее время в отношении механизма сегрегации хромосом в мейозе I. Прежде всего, унивалент без прохождения конъюгации со своим гомологом и образования, хотя бы одного, кроссинговера (Ramesh et al., 2005), не должен был вести себя в анафазе I по типу редукционного деления. В свое время существовало мнение, что продольное расщепление унивалента на данной стадии по типу митоза является нормой, а его отхождение к одному полюсу – аномалией (Щапова, Силкова и другие, 1990). По их мнению униполярная ориентация унивалента вызвана утратой связи одного из кинетохор со своим полюсом. Однако при таком подходе следует учитывать тот факт, что в этом случае перемещение хроматиды, утратившей связь с полюсом, будет осуществляться к противоположному полюсу ее сестринской хроматидой через когезию в зоне центромеры. Иначе говоря, ее движение к полюсу должно проходить путем своего рода “буксировки”. Такой способ перемещения в относительно плотной среде, какой является цитоплазма, должен приводить к распаду унивалента на хроматиды с их видимой ориентацией к одному полюсу. Такие ситуации действительно имели место в анафазе I. Однако униполярную ориентацию двух сестринских хроматид наблюдали довольно редко (0.79%).

Кроме того, если исходить из того, что единство сестринских кинетохор обеспечивается специфичным для мейоза клеисином (REC8) и защищено от действия сепоразы шугошинами (Shao et al., 2011; Ceromer et al., 2013), то унивалент также не должен был делиться в анафазе I и эквационно. Тем болeе, что кинетохоры по своей геометрии изначально занимают характерное для мейоза расположение “бок-о-бок” (Parra et al., 2004).

Теперь, что касается аполярного типа поведения унивалента, то здесь наблюдается выход данного факта за пределы современного понимания. Оппоненты, пытаясь его игнорировать, отмечают, что аполярный тип поведения свидетельствует только о случайном отхождении унивалента к одному из двух полюсов. Однако проведенный корреляционный анализ показал, что частный коэффициент двух анализируемых признаков (количество анафазных клеток с унивалентом в межполюсной зоне и количество диад с одним микроядром) множественной корреляции (количество анафазных клеток с унивалентом в межполюсной зоне, количество диад с одним микроядром, количество анафазных клеток с одной отстающей хроматидой) составил 0.93. Если верить логике дальнейшего корреляционного анализа (Доспехов, 1979), то r² в данном случае составит 0.8649. Из этого следует, что формирование одного микроядра в диадах на 86.49% определяется именно аполярным типом поведения унивалента, и только на 13.51% – отстающей одной хроматиды.

Таким образом, характер поведения унивалента в анафазе I у мягкой пшеницы требует иного подхода к объяснению результатов проведенных исследований. Прежде всего, необходимо обратить внимание на два очень важных момента, которые следуют из результатов проведенных исследований.

1) Все три типа поведения унивалента имели место по всем хромосомам при поочередном их моносомном состоянии. Постоянство проявления и относительно высокая частота исключают возможность рассматривать данные типы поведения унивалента как проявление своего рода аномалий. Следовательно, есть все основания считать, что характер поведения унивалента определяется теми механизмами мейотических процессов, которые имеют место при обычном эуплоидном состоянии генотипа.

2) В каждом конкретном случае, анализируя поведение унивалента, мы анализируем поведение одного из гомологов. Из этого следует, что в общем итоге мы анализируем поведение хромосом в анафазе I одного гаплоидного набора генотипа Triticum aestivum L.

Всего по серии моносомных линий было изучено 30159 анафазных клеток. Из них 49.80% составляли клетки с униполярной ориентацией унивалента, 29.75% – с биполярной ориентацией и 19.43% – с аполярной. Из данного распределения частот видно, что соотношение двух альтернативных групп поведения унивалента в анафазе I (униполярный и биполярный + аполярный) оказалось близким 1 к 1 (χ² = 1.17). Этот показатель демонстрирует тот факт, что характер поведения унивалента в целом подчиняется одному из основных законов статистического распределения двух равновозможных взаимоисключающих событий, на котором основываются законы Менделя (1965). Данное обстоятельство дает все основания считать, что аполярный тип поведения является частным случаем проявления биполярного состояния хромосомы в гемизиготном состоянии. Иначе говоря, унивалент либо имеет униполярную ориентацию в анафазе I, либо нет.

Как уже отмечалось ранее, способность хромосом вести себя по униполярному типу в мейозе I обязано их бивалентному состоянию. В свое время был введен специальный термин – коориентация (co-orientation). Согласно генетическому словарю (Ригер, Михаэлио, 1967) и данным интернета, под коориентацией понимается процесс взаимной ориентации центромер бивалентов или мультивалентов в метафазе первого деления мейоза. Однако, как показал характер поведения унивалента в анафазе I, бивалентное состояние не является определяющим фактором коориентации центромер, обеспечивающим переход хромосом от эквационного типа деления к редукционному. Способность хромосом в гемизиготном состоянии вести себя в мейозе I по типу редукционного деления однозначно указывает на то, что смена полюсной ориентации сестринских центромер (коориентация) предшествует синапсису гомологичных пар.

Усилиями многих исследователей было показано, что у изученных видов растений, включая пшеницу, хромосомы имеют Рабл-ориентацию (Rabl, 1885). При этом центромеры ассоциируют с ядерной мембраной (Щапова, 2010). Место же локализации центромер на определенном участке ядерной оболочки является их зоной исходного полюса, в которой и происходит за счет структурно-динамических процессов изменение взаимной ориентации сестринских центромер гомологов.

Другой примечательной особенностью характера поведения унивалента в анафазе I является его способность в 50% случаев сохранять свою биполярную ориентацию и делиться эквационно, подобно митозу. Двойственность поведения унивалента одной и той же хромосомы в анафазе I однозначно указывает на то, что в момент полюсной коориентации центромер между гомологами существует распределение функций. При этом один из них за счет структурно-динамических изменений зоны исходного полюса меняет ориентацию своих сестринских центромер (положение 1), в то время как второй гомолог сохраняет свою прежнюю биполярную ориентацию (положение 2). Судя по результатам проведенного цитологического анализа, вероятность того, какой из двух гомологов окажется в том или ином положении, в среднем составляет 50 на 50%. Если центромеры унивалента оказываются при полюсной коориентации в положении 1, то он ведет себя по типу редукционного деления, если в положении 2 – то по типу эквационного деления. Как уже отмечалось ранее, полученное соотношение между двумя альтернативными группами 1 к 1 отражает характер поведения унивалента в анафазе I одного гаплоидного набора хромосом, представленного в виде серии моносомных линий. Следовательно, способность унивалента с частотой 50% вести себя в мейозе I по типу редукционного деления свидетельствует о том, что пусковым механизмом перехода хромосом от митоза к мейозу на цитологическом уровне является коориентация центромер одного гаплоидного набора хромосом. В это время второй гаплоидный набор хромосом сохраняет свою прежнюю биполярную (митотическую) ориентацию сестринских центромер.

В качестве гипотезы и на основании предлагаемой концепции “разводящих нитей” дальнейшие процессы, связанные с конъюгацией хромосом и их сегрегацией в мейозе I у Triticum aestivum L., могут быть представлены следующим образом.

По данным из литературных источников (Щапова, 2010) гаплоидные наборы хромосом у высших растений (рожь, тритикале) располагаются параллельно, гомологичные хромосомы рядом. Однако во избежание возможности конъюгации хромосом в соматических клетках, они должны занимать такую пространственную ориентацию, чтобы напротив плеча одной хромосомы располагалось негомологичное плечо второй хромосомы. Для того чтобы совместить гомологичные плечи, необходимо изменить в зоне исходного полюса положение сестринских центромер одного из гомологов, развернув хромосому на 180 град. Сделать это без соответствующей укладки самих хромосом довольно трудно. Поэтому не случайно в прелептотене часто наблюдается характерная укладка хромосом в виде “прохромосом” у животных и “spiral prophase stage” у растений, которая сменяется почти полной деконденсацией хромосом в лептотене (Кикнадзе, Высоцкая, 1975). После коориентации центромер и приведения в соответствие взаимной ориентации гомологичных плеч хромосом наступает процесс сближения теломер на небольшом участке оболочки ядра с образованием в период лептотены–зиготены фигуры “букета”.

О дальнейших событиях, происходящих в мейозе I у эуплоидного генотипа мягкой пшеницы, свидетельствует третий тип поведения унивалента – аполярный. Его способность с определенным постоянством проявлять аполярность, указывает на то, что после начала синапсиса теломер те хромосомы, которые до сих пор сохраняли свою прежнюю биполярную ориентацию, теряют свою связь с зоной исходного полюса и восстанавливают ее после завершения конъюгации гомологов. В данном случае определяющим моментом в выборе типа деления хромосом становятся уже не сестринские центромеры хроматид, а взаимное расположение спаренных центромер гомологов.

Проведенный статистический анализ вариационного ряда частоты униполярной ориентации унивалента с помощью метода хи-квадрат (Рокицкий, 1961) и соответствующие графические построения показали, что предотвращение синапсиса гомеологов у мягкой пшеницы обеспечивается путем пространственного разведения хромосом в ядре (Zharkov, 2001). При этом в случае возникновения ситуации, когда по теории вероятности (50 на 50%) центромеры двух смежных гомеологов при их коориентации в зоне исходного полюса могут быть сориентированы в одну сторону, срабатывает механизм, осуществляющий замену у одной из гомеологичной пары одного гомолога на другой. Тем самым обеспечивается в критических ситуациях разведение гомеологов в противоположные стороны.

Наличие полюсной детерминации сегрегации хромосом, так или иначе, предполагает особый механизм построения мейотического веретена деления у Triticum aestivum L. В одной из своих работ Никлас (Nicklas, 1971) отмечает, что центральное веретено и кинетохорное формируются в разное время и в разных местах. По данным литературных источников и результатов, проведенных нами дополнительных исследований (Шамина, 1989; Жарков, 2013), у мягкой пшеницы в прометафазе мейоза I формируется трехполюсное веретено. Следовательно, сегрегация хромосом в данном случае осуществляется путем расщепления кинетохорного пучка микротрубочек на две составляющие части, разведения их в противоположные стороны, встраивания в центральное веретено с последующей реализацией свойств кинетического порядка.

Таким образом, из вышесказанного вытекает следующее. 1) Тип деления клеток (митоз, мейоз) у Triticum aestivum L. определяется в зоне исходного полюса. 2) Пусковым механизмом перехода хромосом от митоза к мейозу на цитологическом уровне является коориентация центромер в зоне исходного полюса одного гаплоидного набора хромосом. При этом второй гаплоидный набор хромосом сохраняет свою прежнюю биполярную ориентацию. Вероятность того, какой из двух гомологов окажется в том или ином положении, составляет 50 на 50 процентов. 3) Изменение положения одного гомолога и сохранение его другим гомологом приводит в соответствие взаимное расположение плеч хромосом, что является сигналом к их сближению. 4) После контакта теломерных участков и начала формирования синаптонемального комплекса те хромосомы, которые сохраняли свою прежнюю биполярную ориентацию, утрачивают свою связь с полюсом и восстанавливают ее по завершению конъюгации. 5) Конъюгация гомологов проходит при фиксированном положении центромер в зоне исходного полюса одного гаплоидного набора хромосом. 6) Варьирование распределения функций между гомологами во время полюсной коориентации и замена в критических ситуациях одного гомолога на другой имеют смысл, если направление движения гомологичных пар хромосом при их разведении определяется гомологом, центромеры которого были активно задействованы зоной исходного полюса.