Генетика взаимоотношений

Исследование генетики взаимоотношений предусматривает проведение параллельного генетического анализа устойчивости растения и вирулентности его паразита. Последний возможен для фитопатогенных грибов, имеющих половой процесс — сумчатых, базидиальных, оомицетов. Большую роль для изучения природы взаимоотношений паразита и хозяина сыграли исследования ржавчинных грибов злаков. Методы гибридологического анализа возбудителя стеблевой ржавчины Puccinia graminis разработали в 40-х гг. XX в. канадские фитопатологи М. Ньютон и Т. Джонсон. Половой процесс этого гриба протекает на листьях бюарбариса, где гаплоидные спермации оплодотворяют гаплоидные гифы спермогониев. Образующиеся вследствие оплодотворения двуядерные (дикариотические) эциоспоры заражают пшеницу, на стеблях и флаг-листьях которой летом образуются урединиоспоры, ростки которых способны снова заражать пшеницу. К осени в зараженных стеблях формируются покоящиеся телиоспоры, в которых после зимовки происходят кариогамия и мейоз и формируется тетрада гаплоидные безидиоспор, осуществляющих первичное заражение барбариса (рис. 4.3). Для проведения гибридизации кустики барбариса в вазонах закрывают ламповым стеклом «летучая мышь», прикрытым чашкой Петри, на внутреннюю поверхность которой прикрепляют соломку пшеницы с телиоспорами, прошедшими (для стимуляции прорастания) воздействие отрицательными температурами. Формирующиеся базидиоспоры попадают на листья барбариса и заражают их. Спермации из возникших в местах заражения спермогониев стерильной платиновой иглой переносят в другие спермогонии. Для проведения инбридинга оплодотворяют спермогонии, возникшие в результата заражения базидиоспорами той же расы, для проведения гибридизации спермации переносят на спермогонии, возникшие в результате заражения барбариса другой расой. Поскольку Р. graminis гетероталличен, и вероятность оплодотворения равна 50 %, примерно половина оплодотворенных спермогониев формирует на нижней стороне листа эции. Эциоспоры переносят на проростки пшеницы, не имеющей эффективных генов ВУ, чтобы не потерять среди гибридных спор слабовирулентные сегреганты. Образующимися урединиоспорами заражают сорта пшеницы, контрастные по устойчивости к родительским штаммам, и по реакции на заражение судят о доминантности или рецессивности генов вирулентности (табл. 4.9).

Как видно из таблицы, вирулентность расы 9 для сорта Арнаутка доминантна, а для сорта Вернал — рецессивна; вирулентность расы 36 для сорта Вернал также рецессивна.

Потомство F1 можно довести до формирования телиоспор, а затем повторить скрещивания, чтобы получить F2, F3, B1 и т. д. (табл. 4.10).

Таким образом, вирулентность расы 9 к сорту Арнаутка контролируется одним доминантным геном, а к сорту Вернал — двумя рецессивными; вирулентность расы 26 к сорту Канред определяется одним рецессивным геном.
Используя описанный метод X. Флор провел перекрестный гибридологический анализ генов устойчивости льна к ржавчине и генов вирулентности возбудителя ржавчины льна Melampsora lini к сортам льна (табл. 4.11).
Знаком (-) обозначена реакция устойчивости/авирулентности (что однозначно); знаком (+) — реакция восприимчивости/вирулентности.

Поскольку гетерозиготы хозяина и паразита (Fl) соответственно устойчивы к обеим расам или авирулентны к обоим сортам, устойчивость и авирулентность управляются доминантными генами хозяина и паразита, а восприимчивость и вирулентность проявляются при наличии гомозиготных рецессивных аллелей доминантных генов устойчивости и авирулентности. В F2 отношение 3 : 1 устойчивых и восприимчивых к каждой расе гибридов растений и авирулентных и вирулентных к каждому сорту гибридов паразита свидетельствует о присутствии одного доминантного гена. Наличие четырех классов реакций в F2 показывает, что в популяциях хозяина и паразита имеется по два независимо расщепляющихся гена. Расщепление популяций F2 хозяина или паразита, взаимодействующих с F1 популяциями партнеров, по реакции на заражение соответствует 15 : 1, что указывает на наличие взаимодействующих пар генов хозяина и паразита. Эти данные привели Флора к выводу о наличии взаимодействующих генов (вернее, генопродуктов) хозяина и паразита, сформулированному как теория «ген-на-ген». Как видно из приведенной таблицы, если растение обладает каким-либо доминантным геном устойчивости (R1 у сорта Оттава или R2 у сорта Бомбей), то оно может поражаться лишь такой расой патогена, которая имеет комплементарный ему рецессивный ген авирулентности (a1 у расы 22 или а2 у расы 24). Несовместимая реакция (устойчивости/авирулентности) проявляется только в том случае, если оба взаимодействующих гена (хозяина и паразита) доминантны.
Из теории Флора вытекает, что присутствие в геноме растения-хозяина доминантнрго гена устойчивости не выявляется при отсутствии соответствующего ему доминантного гена авирулентности (сорт Оттава поражается расой 22, а сорт Бомбей — расой 24, несмотря на наличие у них генов устойчивости R1 и R2 соответственно). Также в геноме паразита наличие доминантного аллеля авирулентности не будет выявлено при отсутствии соответствующего ему гена устойчивости. Более того, в отсутствии каких-либо доминантных генов устойчивости хозяина соответствующие им гены вирулентности (рецессивные аллели генов авирулентности) паразитов также не будут выявляться.
Генетические исследования многих болезней растений, последовавшие после работ Флора, в основном подтвердили его выводы. Было показано, что а) гены устойчивости (R от английского слова resistance) чаще доминантны, а гены вирулентности (р от английского слова pathogenicity или а от слова avirulence) — рецессивны; б) R-гены часто аллельны или тесно сцеплены друг с другом, а P-гены обычно расщепляются независимо; с) R и P-гены обычно взаимодействуют на основе теории «ген-на-ген».

Первый вывод свидетельствует о том, что независимо от взаимодействующих генотипов паразита и хозяина возможны только два результирующих фенотипа - R и S или «минус» и «плюс» или 0 и 1. Это положение хорошо иллюстрируется при изображении взаимоотношений паразита и хозяина в виде диаллельной схемы (квадратной сетки) (табл. 4.12).
Описаны, однако, случаи неполной доминантности генов устойчивости и авирулентности. В такой ситуации могут наблюдаться не два, а три фенотипа в «квадратной сетке» — минус, плюс и промежуточный. Например, канадский фитопатолог Д. Самборский обнаружил штамм возбудителя бурой ржавчины, который вызывал у сорта пшеницы Трансфер, гомозиготного по гену устойчивости Lr9, реакцию 1+ вместо обычной для этого гена реакции 0. Инбридинг, выполненный по вышеописанному методу Джонсона и Ньютон, показал, что ген авирулентности гетерозиготен, и позволил выделить изоляты, гомозиготные по этому гену. Взаимоотношения между полученными культурами гриба и сортами пшеницы показаны в табл. 4.13.

Вторая особенность организации генов устойчивости и авирулентности — аллельность или тесное сцепление первых, но не вторых, также оказывает влияние на анализ результатов взаимоотношений. Поскольку у диплоидного организма может быть только два аллельных состояния гена, число возможных комбинаций генов устойчивости меньше, чем генов авирулентности. Например, в системе из двух аллельных генов устойчивости и двух соответственных им несцепленных генов авирулентности может быть 4 комбинации генов у хозяина (R1R1, R1r2, r1R2, r1r2) и 9 комбинаций генов паразита (A1A1A2A2, А1А1А2а2, А1А1а2а2, А1а1А2А2, А1а1А2а2, а1а1А2А2, а1а1А2а2, А1а1а2а2, а1а1а2а2). В системе из трех аллельных генов хозяина и соответствующих им несцепленных генов паразита возможны 10 комбинаций у хозяина и 27 — у паразита.
Кодоминантность (фенотипическое проявление обеих аллелей в гетерозиготе) генов устойчивости накладывает некоторые ограничения на использование «квадратных сеток» для анализа результатов взаимоотношений между паразитом и хозяином. Допустим, мы имеем гетерозиготное растение, имеющее два аллельных кодоминантных гена устойчивости RI/R2. Ген R1 взаимодействует с генами, находящимися в одном локусе паразита (A1A1, A1a1 и a1a1), а ген R2 — с гомозиготным геном а2а2, находящимся в другом локусе (аллель А2 отсутствует). В F2 гетерозигота даст расщепление на R1R1, R1R2 и R2R2 в отношении 1 : 2 : 1. Однако, если у тестирующих штаммов паразита отсутствует аллель А2, все они будут вирулентными для растений, имеющих ген R2. Поэтому ген R2 не будет выявляться, его свойства придавать устойчивость не будут использоваться, так как он ведет себя в расщепляющемся потомстве как рецессивный аллель восприимчивости, что показано в табл. 4.14.

Таким образом, фактически дигенное расщепление хозяина фенотипические выражается как моногенное с типичными для «квадратных сеток» отношения.
Аналогичная ситуация потери фенотипического выражения гена устойчивости в отсутствии тестирующего его доминантного аллеля авирулентности у паразита будет наблюдаться даже при независимом наследовании генов устойчивости. Например, сорт льна Бизон, который поражается всеми североамериканскими штаммами возбудителя ржавчины, был использован Флором в гибридологических анализах как не имеющий вертикальных генов универсально восприимчивый контроль, однако в Австралии у сорта Бизон был идентифицирован ген устойчивости к некоторым австралийским расам, названный L9. По-видимому, все североамериканские расы имеют комплементарный ему рецессивный аллель.
Гораздо реже, чем для генов устойчивости, обнаруживается сцепление между генами авирулентности. Тесное сцепление описано для генов вирулентности aL8 и аМ и группы генов аР (а-Р, а-Р1, а-Р2, а-Р3) Melampsora lini.
Наконец, третий вывод, вытекающий из параллельного изучения генов устойчивости и вирулентности, — наличие взаимодействия между партнерами не на геномном, а на генном уровне. В связи с этим встает вопрос о необходимости изучения генетики партнеров только в взаимодействии, т. е. о межорганизменной генетике. Возникновение межорганизменной генетики как отдельной дисциплины сделало возможным связать биохимические исследования факторов устойчивости растений и вирулентности паразитов с генетическими исследованиями, т. е. перейти к анализу молекулярно-генетических механизмов устойчивости и вирулентности.