Кандидат биологических наук Наталья КУТЛУНИНА, доцент кафедры ботаники Уральского федерального университета,

кандидат биологических наук Михаил КНЯЗЕВ, заведующий лабораторией Ботанического сада УрО РАН (Екатеринбург)

Клональные организмы - не только продукты экспериментов научных лабораторий, это вполне обычное явление в живой природе. Однако природные клоны таят в себе немало загадок. Например, каким образом некое растение, давно утратившее способность к семенному размножению, смогло распространить своих потомков на огромной территории в сотни квадратных километров? Как ему удается опередить полноценных во всех отношениях конкурентов? Почему некоторые клоны оказываются как бы вне влияния времени и среды? Их не разрушает старение, не пожирают вечно меняющиеся враги, они, неподвижные, не тонут в непрерывно текущем мире? На подобные вопросы пока нет исчерпывающих и однозначных ответов. Предложенные нами гипотезы не являются бесспорными, однако, на наш взгляд, могут послужить толчком к новым научным поискам.

Полиплоидные партеногенетические расы долгоносика (Otiorhynchus nodosus) распространены в Европе значительно шире (штриховка), чем двуполые диплоидные расы (черный цвет). (По данным С. Гребельного, 2008 г.).

Термин "клонирование" означает получение естественным или искусственным способом нескольких генетически идентичных организмов путем бесполого размножения. Слово пришло в русский язык из английского "clone, cloning", хотя корни у него греческие: κλων - веточка, побег, отпрыск. Первоначально оно обозначало группу растений, полученных от одного "родителя" вегетативным способом. Позже его стали использовать применительно к бактериям, животным, а гипотетически даже к человеку, когда речь шла о генетически идентичных линиях одного предка. Особенно часто этим термином обозначают технологию получения генетически идентичных организмов, известную как замещение клеточного ядра. Сама же тема клонирования в последние годы стала чрезвычайно популярной как в научной среде, так и в средствах массовой информации, художественной литературе, кинематографе. Конечно, наибольший интерес вызывает все, что связано с "копированием" человека. Сразу оговоримся, что этот вопрос имеет глубокий научный и нравственный подтекст, но в данной статье обсуждаться не будет.

Если технологии искусственного клонирования (особенно в отношении животных) переживают в настоящее время становление, требуя от исследователей преодоления многочисленных трудностей, то природа за многие миллионы лет назад успешно освоила этот процесс и продолжает свои эксперименты. В животном мире оно характерно для наиболее примитивных таксонов (кораллы, морские звезды), хотя встречается и у достаточно "продвинутых". Ряду беспозвоночных и позвоночных присущ партеногенез - развитие яйцеклетки без оплодотворения. В результате появляется генетически идентичное потомство. Скажем, в фантастическом романе Аркадия и Бориса Стругацких "Улитка на склоне" (написанном задолго до современных сенсационных экспериментов по клонированию) в неком таинственном Мире властительницы-колдуньи, особи, рождающие дочерей без участия мужчин, подчиняют природу, изменяют историю. Однако отметим, описанная писателями фантасмагория имеет реальную основу. Партеногенез встречается у коловраток, низших ракообразных, насекомых, пресмыкающихся, акул, некоторых одомашненных птиц (цесарок). У большинства животных он приурочен к определенному моменту жизненного цикла и служит приспособлением к условиям окружающей среды (циклический партеногенез дафний). Лишь в редких случаях формируются таксоны, вообще не нуждающиеся в оплодотворении. К примеру, известен целый класс коловраток Bdelloidea, которые около 80 млн. лет существуют без полового размножения.

Для мокриц и долгоносиков установлено, что обоеполые и партеногенетические расы одного вида разобщены географически, при этом показано, что формы с половым размножением удерживают древние (реликтовые) участки ареала, а партеногенетические осваивают новые, нередко весьма обширные территории, например, освободившиеся от ледникового щита 10 тыс. лет назад. Таким образом, у животных организмов партеногенез играет важную приспособительную роль, как одна из стадий их жизненного цикла или при освоении прежде не занятых видом территорий.

У большинства многолетних растений природное клонирование связано с наличием вегетативного размножения. У имеющих короткие корневища формируется плотный клон - "куст", "куртина" (по англ. "phalanx"). При наличии длинных корневищ, столо-

нов* или иных пропагул, позволяющих распространяться на значительные расстояния, формируются обширные, но рыхлые клоны - эта форма роста называется "партизан" ("guerilla").

Человек научился с пользой для себя использовать естественное природное свойство. Клонирование играет огромную роль в сельском хозяйстве, где существует понятие сортов-клонов (у картофеля, гладиолусов, бегонии, винограда, яблони и др.).

Однако так же, как у марсиан в "Войне миров" английского писателя Герберта Уэллса, у клонов есть ахиллесова пята - они более восприимчивы к болезням, чем популяции с половым размножением. Последние значительно разнообразнее и при эпидемии (эпизоотии, эпифитотии) гибнут относительно немногие неудачники. Как бы ни были многочисленны особи, порожденные вегетативным или партеногенетическим размножением, при появлении новой болезни они обречены на тотальное вымирание. К примеру, в Великобритании после заражения в 1920-е годы английского вяза (Ulmusprocera) паразитическим грибом "голландской болезни" (Ceratocystis ulmi) и гибели миллионов деревьев, было исследовано генетическое разнообразие немногих уцелевших. Оказалось, что все они генетически идентичны. На континенте тот же вид вяза более устойчив к "голландской болезни", поскольку распространяется преимущественно семенами.

Растения, способные только к вегетативному размножению, получают замечательную фору в "шахматной партии жизни"; они успешно теснят конкурентов, обремененных "семейными хлопотами", заплатив за эти преимущества, казалось бы, немногим - отсутствием разнообразия. В связи с этим возникает ряд вопросов. Как часто у клональных видов формируется полная стерильность? Каковы причины и последствия этого явления? Как широко могут расселяться клоны и как долго существовать? Пытаясь ответить на них, мы предприняли изучение генотипического разнообразия и отдельных элементов репродуктивной системы у ряда клональных видов, принадлежащих к разным семействам, имеющих несхожие типы вегетативного размножения и ареалы. В их числе ряска трехдольная (Lemna trisulca L.), гладиолус тонкий (Gladiolus tenuis Bieb.), флокс сибирский (Phlox sibirica L.), несколько видов солодок (Glycyrrhiza glabra L., G. korshinskyi Grig., G. uralensis Fisch.), клевер ползучий (Trifolium repens L.), мятлик луковичный (Роа bulbosa s.l.), сердечник трехнадрезный (Cardamine trifida (Lam. ex Poiret) B.M. Jones), тюльпан Биберштейна (Tulipa biebersteiniana Schult. et Schult) и тюльпан приречный (Т. riparia Knjas. Kulikov et Philippov). Для оценки генотипического разнообразия и выявления клонов использовали изоферментный и ДНК-анализ, в частности ISSR-маркирование (Inter Simple Sequence Repeats), т.е. выявление полиморфизма межмикросателлитных участков генома.

У большинства изученных нами видов выявлено сочетание вегетативного и семенного размножения и формирование поликлональных популяций. В определенных условиях клоны формируются на довольно больших площадях (от десятков до сотен квадратных метров). Так, они обнаружены у тюльпана Биберштейна под пологом леса. Это растение использует

* Столон - боковой побег с удлиненными междоузлиями и недоразвитыми листьями, на которых развиваются клубни, луковицы, розеточные побеги (прим. авт.).

** Пропагула - структура вегетативного размножения (выводковые почки, луковички, отводки) у высших растений (прим. авт.).

преимущества вегетативного размножения в условиях затенения, угнетающего семенное воспроизводство. На открытых степных участках последнее восстанавливается в ущерб первому, при этом выявляются клоны на небольших площадях и высокий генетический полиморфизм. В данном случае "единство и противоположность" полового и клонального размножения обеспечивают успешность вида в целом. Оценка генотипического разнообразия тюльпана Биберштейна, как и других объектов нашего исследования, подтверждает уже ставшие классическими представления о достаточно высоком уровне генетической изменчивости у вегетативно подвижных видов растений.

Близкородственный вид - тюльпан приречный (Т. riparia) является триплоидом*, встречается в пойме реки Белой и ее притоков, стекающих с западного макросклона Уральского хребта. Триплоидные виды - "генетические уродцы", их дополнительный третий набор хромосом не может быть гармонично поделен между половыми клетками. Это приводит к полной или частичной стерильности. Сколько-нибудь длительное существование данных видов (рас) возможно лишь при эффективном вегетативном размножении. Исследование репродуктивной системы тюльпана приречного показало, что у него отмечается снижение фертильности** мужской и женской сферы, однако около 50% жизнеспособной пыльцы и семяпочек все же образуется. В культуре у Т. riparia иногда развиваются плоды, но сформировавшиеся в них семена невсхожи. По-видимому, клоны тюльпана приречного самостерильны, но при переопылении разных клонов семена спорадически образуются. Хотя в природе семенное размножение этих растений за все годы наблюдений нами не отмечалось, время от времени оно происходит "без посторонних глаз", о чем свидетельствует многообразие окраски цветков и довольно высокое генотипическое разнообразие (не менее 6 клонов в каждой из исследованных популяций). Удивительно, но семенное размножение сохраняет триплоидный цитотип тюльпана приречного.

Другой объект нашего исследования - гладиолус тонкий (Gladiolus tenuis Bieb.). Это многолетнее клуб-нелуковичное растение, размножающееся как семенами, так и вегетативно - дочерними луковичками. Нами установлено, что к востоку от Волги G. tenuis стерилен - не дает плодов. Выборочные исследования в 6 восточных популяциях, по трансекте*** около 1000 км (от окрестностей озера Кандры-куль на западе Башкирии до южной оконечности Мугоджарских гор в Казахстане) показали: все они принадлежат к одному гигантскому стерильному клону.

В основной части ареала G. tenuis является тетраплоидом****, тогда как у растений из стерильного клона мы установили стабильную триплоидность. Тетраплоидные популяции в Чернышковском районе Волгоградской области имеют высокую фертильность пыльцы и семяпочек, для них характерно активное

* Триплоид - организм с тремя основными (гаплоидными) наборами хромосом в ядрах соматических клеток (прим. ред.).

** Фертильность - способность зрелого организма производить потомство (прим. ред.).

*** Трансекта - отмеренная на территории экосистемы узкая прямоугольная площадка для изучения размещения видов, численности, продуктивности и других исследований (прим. ред.).

**** Тетраплоид - организм с четырьмя основными наборами хромосом в ядрах соматических клеткок (прим. ред.).

Гладиолус тонкий встречается в Крыму, на Кавказе, на юго-востоке Европейской России, "заходит" на Южный Урал и в Казахстан.

прорастание пыльцы на рыльце и как следствие - наличие семенного размножения, высокий генетический полиморфизм. Нечетная полиплоидия* уральских растений приводит к частичной стерилизации пыльцы и полной стерильности семяпочек.

Для объяснения возникновения стерильного клона мы предложили две гипотезы. Возможно, он имеет гибридное происхождение и появился в результате скрещивания тетраплоидного G. tenuis и гипотетического диплоидного (т.е. с двумя наборами хромосом в клетке) вида, впоследствии исчезнувшего. К настоящему времени древние диплоидные гладиолусы в Европе не встречаются и известны лишь на юге Африки. Таким образом, первая гипотеза предполагает невероятно большой возраст триплоидного клона. Согласно второй, в какой-то момент исторического развития произошла мутация с утратой одного генома из четырех и переход на иной уровень. Триплоидный гладиолус оказался успешнее других, не утративших способности к семенному размножению, и широко расселился к востоку от Волги. Можно предположить два взаимодополняющих механизма его распространения (как и многих других видов растений).

Один из них гидрохорный, заключающийся в переносе семян и других зачатков потоками воды во время сильных дождей или половодий. Возможен и другой вариант: почва "замешивается" на воде с образованием вязкого "грязевого теста", которое далее разносится на шерсти животных вместе с заключенными в нем семенами, фрагментами корневищ, спорами и т.п. Очень эффективными разносчиками грязи, а следовательно и растений, могут быть особи, принимающие "грязевые ванны". В настоящее время это кабаны, а ранее, в плейстоцене (1,8 млн. лет - 11 тыс. лет назад) невольными "сеятелями" могли быть шерстистые носороги и мамонты. Форма ареала стерильного гладиолуса (в виде дуги) вполне может быть связана с основными путями древних миграций животных.

Еще один пример широкого расселения стерильного клона выявлен нами у сердечника трехнадрезного. Основной ареал С. trifida находится в Сибири, хотя его фрагменты встречаются на Урале и Среднерусской возвышенности. На Урале нами установлено широкое распространение растений с полной мужской стерильностью. Примечательно, что в разных частях ареала такие особи генетически оригинальны, т.е. эти мутанты возникали независимо друг от друга. По всей видимости, естественный отбор "поощряет" данные формы на этих территориях. Уральские С. trifida частично поликлональны (8 - 12 генотипов), а час-

* Полиплоидия - наследственное изменение, заключающееся в кратном увеличении числа наборов хромосом в клетках организма. К числу нечетных полиплоидов относятся триплоиды (прим. ред.).

Распространение сердечника трехнадрезного на Урале и исследованные популяции (белые метки). В рамке - распространение стерильного клона "агидель".

тично состоят из единственного клона (популяции "берда" и "агидель"). Наиболее интересным представляется расселение клона "агидель" в долине реки Белой. Его отличает полная мужская стерильность и примечательная морфологическая особенность - он способен образовывать выводковые клубеньки в пазухах стеблевых листьев. Несомненно, эта аномалия существенно облегчает его расселение и дает значительные конкурентные преимущества. По-видимому, в климатически неблагоприятную эпоху позднего плейстоцена исходная популяция в этой части ареала сократилась до единственного клона, а после восстановления приемлемых условий в голоцене (от 11 тыс. лет назад до настоящего времени) он широко распространился в долине реки Белой.

Формирование стерильных популяций - преимущественно узколокальное явление, приуроченное к краевой части ареала, а также свидетельствующее об обособленности распространения того или иного вида. Исключение составляют водные растения, например, посидония (Posidonia oceanica) и водный гиацинт (Eichornia crassipes). Нами показано существование стерильных клонов у наземных травянистых растений на больших территориях при отсутствии у них семенного размножения и генетической рекомбинации. (Определить возраст клонов достаточно сложно, так, у клона тополя осинообразного разные исследователи называют возраст 8 тыс., более 20 тыс. и даже 1 млн. лет.) У травянистых растений срок жизни отдельной особи значительно меньше, чем у древесных, но, по-видимому, возраст обнаруженных нами клонов не менее 10 тыс. лет. Выживают и сохраняются отбором только отдельные, наиболее приспособленные, имеющие высокий уровень гетерозиготности*.

Половое размножение может разрушить удачные комбинации - после "гения" природа отдыхает на потомках; это одна из причин, обусловливающих тактические преимущества клонов. Преодоление тесных рамок их абсолютной стандартности возможно в результате соматических мутаций. Однако такие мутации затрагивают один ген; с очень малой вероятностью они могут породить успешную расу, заметно отличающуюся от материнского образца. Указанные мутации интересны для исследователей, поскольку позволяют оценить примерный возраст клона и проследить этапы его расселения. В наших работах для двух особей гигантского клона гладиолуса тонкого удалось установить наличие именно таких мутаций. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят "прочесть" летопись гигантского клона Gadiolus tenuis.

В заключение отметим, существуют противоположные точки зрения на перспективы организмов с бесполыми формами размножения - от преувеличения преимуществ и отрицания значимости полового размножения (британский эволюционный биолог и генетик Мейнард Смит, 1978 г.) до утверждения эволюционной бесперспективности стерильных клонов (американский ботаник и эволюционист Берн Грант, 1974 г.). Существование таких клонов на протяжении тысячелетий и значительные площади, ими занимаемые, позволяют предположить, что тактические преимущества оказываются неожиданно значимыми и вполне долговременными даже в условиях экологической неоднородности и нестабильности. Возможно, решающие преимущества видов с половым размножением над клонами проявляется только при распространении вирусных и грибковых заболеваний, к которым клоны оказываются неустойчивыми.

Работа поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований 10 - 04 - 00989-а и 11 - 04 - 10091-к.

* Гетерозигота - клетка или организм, у которого гомологичные (парные) хромосомы несут разные формы (аллели) того или иного гена (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: