Величина генома та індивідуальних хромосом у взаємозв"язку з екогеографічним та історичним походженням видів у роді Crepis. Відмінність між каріотипами давніх та сучасних видів. Структурні перебудови хромосом як можливі показники еволюції каріотипів.
Геном вищих організмів являє собою складну систему ієрархічно взаємопоєднаних рівнів організації, тому його повний опис можливий лише на основі інтеграції даних молекулярно-генетичних і цитогенетичних методів досліджень. Метою досліджень було вивчення особливостей Фельген-Гімза забарвлених хромосом (різноманіття кількості, величини, сегментування) у каріотипах видів роду Crepis у звязку з їхньою видовою диференціацією, екогеографічним та історичним походженням. Визначити хромосомо-специфічність сегментації хромосомних ділянок, узявши за основу їхній розподіл у найменших за величиною хромосомах. Аналіз їх розподілу в хромосомах, однакових за величиною та співвідношенням плечей показав, що хромосоми, ідентичні за цими характеристиками, можуть проте відрізнятися кількістю та порядком розташування таких сегментів вздовж хромосоми. Показано, що міжвидові відмінності можуть виявлятися в зміні розподілу умовних сегментів в окремих хромосомах і навіть в окремих ділянках деяких хромосом.Завдяки аналізу каріотипів вищезазначених видів ми зареєстрували, що до їхнього складу входять хромосоми двох різних розмірів: у досліджених метафазних і прометафазних клітинах виміряні величини сумарної оптичної щільності для дрібних хромосом виявилися приблизно однаковими: 1,6 0,2 од.оптич.щільн. Аналіз розподілу таких умовних сегментів у світлих і темних ділянках інших хромосом цього ж виду дозволив встановити, що їхній розподіл специфічний для кожної хромосоми. З метою позначення хромосом із специфічними поєднаннями сегментів та ділянок різної щільності в них ми розділили хромосоми на два типи. Проведене порівняння дозволило припустити, що види Crepis bulbosa і Erigeron canadensis мають схожі хромосоми, такі як “a2”, “b1”, “b3”, “b6” та “b10”, і відрізняються хромосомами “a1”, “b7” “b10” (рис.2, Б). Порівняння хромосомо-специфічного розподілу умовних сегментів у видів E.canadensis і C.bulbosa свідчить про продуктивність цитометричного методу аналізу, оскільки дозволяє чітко диференціювати схожі за розміром хромосоми як всередині, так і між видами.Розроблено і запропоновано кількісний цитофотометричний метод аналізу зображень, що дозволяє співвідносити кількість матеріалу в окремих хромосомах та внутрішньохромосомних ділянках шляхом виміру їхньої інтегрованої оптичної щільності на прикладі 27 видів роду Crepis. Показано, що розроблений метод аналізу умовних сегментів хромосом є ефективним додатковим морфологічним методом для виявлення схожих хромосом при вивченні еволюції каріотипу видів триби Crepidinae, зокрема при порівняльному аналізі дрібнохромосомних видів. Одержані дані про розбіжності в інтегрованій оптичній щільності свідчать, що кількість матеріалу в каріотипах і хромосомах може суттєво варіювати у видів Crepis: між каріотипами - у 8-10 разів, між хромосомами - в 20-30 разів.
Вывод
Хромосомо-специфічність сегментації, визначена методом денситометричного сканування у найменших хромосомах. З метою виявлення ефективності методу у визначенні внеску окремих специфічних хромосом у міжвидову дивергенцію в межах родини вивчено особливості сегментування дрібних хромосом видів Crepis bulbosa і Erigeron canadensis (Рід Crepis L. та Erigeron L., Родина Asteraceae). Ці види не відзначалися за кількістю та морфологією хромосом, які виявляють традиційними методами цитогенетичного аналізу.
Завдяки аналізу каріотипів вищезазначених видів ми зареєстрували, що до їхнього складу входять хромосоми двох різних розмірів: у досліджених метафазних і прометафазних клітинах виміряні величини сумарної оптичної щільності для дрібних хромосом виявилися приблизно однаковими: 1,6 0,2 од.оптич.щільн. Таку ж закономірність встановлено для хромосом вдвічі більших за їх величиною, а саме 3,1 0,3 од.оптич.щільн.
Хромосома 9-ої пари в каріотипі виду C.bulbosa під час аналізу розподілу оптичної щільності за довжиною наведена чітко диференційованими двома сегментами (темними й світлими ділянками), схожими за сумарною оптичною щільністю. Світла зона - трохи більша за розміром, мала IOD=0,809, а темна - IOD=0,825. Ці дві зони в подальшій роботі ми умовно визначили як “сегмент”. Такий сегмент, що має величину IOD=0,802 0,07, позначений далі символом “d”, дозволив використати його як маркер або “внутрішній стандарт” при порівняльному вимірі різних за розміром хромосом і сегментів у заданому режимі сканування. Аналіз розподілу таких умовних сегментів у світлих і темних ділянках інших хромосом цього ж виду дозволив встановити, що їхній розподіл специфічний для кожної хромосоми.
З метою позначення хромосом із специфічними поєднаннями сегментів та ділянок різної щільності в них ми розділили хромосоми на два типи. До типу “a” віднесли дрібні хромосоми. До типу “b” - крупніші за розміром хромосоми, які мають на два більше сегменти. Сегмент, менший за величиною сумарної оптичної щільності, був позначений як “d”. Далі порядок нумерації варіантів (“1”,“2”,“3”тощо) визначили відповідно до збільшення кількості темних сегментів від одного до двох у хромосомах типу “a” (відповідно, на схемі позначених як “2d”) та від одного до чотирьох у хромосомах типу “b” (відповідно, на схемі позначених як “4d”) [рис. 2,А].
Проведене порівняння дозволило припустити, що види Crepis bulbosa і Erigeron canadensis мають схожі хромосоми, такі як “a2”, “b1”, “b3”, “b6” та “b10”, і відрізняються хромосомами “a1”, “b7” “b10” (рис.2, Б). Тобто в їхню каріотипову диференціацію були залучені хромосоми “a1”, “b7” “b9” від E.canadensis та хромосоми “b4” “b5” від C.bulbosa. Практично, дані види різнилися трьома парами хромосом і мали схожість по шести парах.
Порівняння хромосомо-специфічного розподілу умовних сегментів у видів E.canadensis і C.bulbosa свідчить про продуктивність цитометричного методу аналізу, оскільки дозволяє чітко диференціювати схожі за розміром хромосоми як всередині, так і між видами. При використанні традиційного методу оцінки морфологічних характеристик коротких хромосом різниці між даними систематично віддаленими видами виявити не вдалося.
Порівняння хромосом середніх розмірів у каріотипах видів C.alpina і C.foetida. Для каріотипів споріднених видів C.alpina (n=5) і C.foetida (n=5) визначені різниці між 4-ю та 5-ю парами хромосом (рис. 3). Різниці стосувалися величини інтегрованої оптичної щільності (IOD) цілих хромосом та одного з плечей від центромери, оптичної щільності окремих внутрішньохромосомних ділянок. Загалом показана можливість виявлення морфологічних відмінностей розподілу оптичних щільностей в індивідуальних, середніх за розміром, хромосомах (12,0 0,09 од.оптич.щільн.) всередині й поміж видами.
Каріотипова різноманітність вивчених видів Crepis у звязку з міжвидовою та екогеографічною диференціацією. Для пошуку можливих взаємозвязків між міжвидовою диференціацією каріотипів і морфологічними різницями, особливостями екогеографічного та історичного походження видів Crepis, були використані дані Навашина (1929), Babcock (1947, 1949), Hollingshead і Babcock (1930), одержані в результаті вивчення філогенії роду.
Як найзначніший напрямок еволюції видів роду Crepis визначено широке явище редукції, що супроводжується скороченням фази розвитку листа, зменшенням розмірів квіткових кошиків і насіння. Паралельно з морфологічною редукцією відмічалася тенденція до зменшення гаплоїдного числа хромосом від девяти до трьох. Згідно критеріям визначення рівня еволюційного прогресування видів вищих рослин, прийнятих в еволюційній систематиці (Тахтаджян, 1985), види Crepis, таким чином, були умовно поділені на примітивні, проміжні й просунуті з рядом перехідних форм між ними. На підставі порівняння таких переходів у фенотиповій мінливості видів, доповненого даними про каріотипічний аналіз, Babcock (1947) розподілив види Crepis за секціями, розташувавши їх таким чином, що по мірі збільшення номера секції до неї включалися види, характерні дедалі більшим рівнем спеціалізації.
Знаходячи потрібний вид під відповідним номером у секції, ми порівнювали величину кареотипів, визначену шляхом виміру IOD кожної окремої хромосоми з розташуванням даних видів на шкалі умовно зазначеного “еволюційного прогресування” (табл.1) .
Таблица 1 Величина інтегрованої оптичної щільності (IOD) наборів хромосом вивчених видів Crepis
20 C. foetida 164,9±2,8 6 C.blattaroides 288,7±20,9
20 C. alpina 168,3±1,4 4 C. dioscoridis 372,2±21,9
В результаті такого виміру виявлено значну різницю внутрішньо- й міжвидову в роді Crepis . Ці величини мали більший розмах мінливості для великохромосомних видів у порівнянні з дрібно- та середньо-хромосомними видами різного екогеографічного походження. Виміряні для кожного набору хромосом каріотипів величини інтегрованої OD розподілено відповідно з порядковим номером секції, до якої належить вид Crepis (рис.4).
Додатково, за цією ж схемою, розподілені середні значення величин хромосом, встановлені як IOD величина всього набору хромосом, поділена на їхню кількість у метафазній клітині (IODXPOM.= IODKAPIOT.:2n). В результаті серед видів, що мешкають у схожих екологічних нішах, виділено диплоїдні й поліплоїдні види, близькі за кількістю генетичного матеріалу на геном, але різні за розміром хромосом у каріотипах.
Аналіз отриманих цитометричних даних про розміри геномів і хромосом видів Crepis різних рівнів спеціалізації морфологічних структур у цілому не виявив позитивної тенденції до зменшення величини каріотипу сумарної оптичної щільності хромосом за рахунок зниження їх числа у каріотипі, або за рахунок зменшення їх розмірів. Так, сума величин IOD наборів хромосом видів, що належать до групи примітивних (секція 1-6), мали досить суттєві відмінності: від 40 до 390 умовних одиниць оптичної щільності. Тенденція до зниження величини гаплоїдних наборів хромосом спостерігалася лише в межах секцій 10-26 і мала значну внутрішню й міжвидову гетерогенність, а саме 30%. Те ж саме відзначено для величин окремих хромосом каріотипів, де варіабельність величин IOD була порядку 10%. Відзначено, що коли з даного аналізу виключити групу давніх видів Crepis, то для групи сучасних видів, які зявилися на початку Крейдяного періоду, справді спостерігається редукція основного числа хромосом до n=4. Виняток становлять види C.bulbosa, C.paludosa і C.lyrata з іншим числом (n=9,n=8,n=6) малих хромосом (3,0 1,5 од.опт.щільн.). Проте ці види посідають особливе місце в еволюції роду Crepis і вважаються предківськими формами в таксоні (Babcock and Cameron,1943).
На підставі цих даних ми зробили висновок, що в роді Crepis еволюція морфолого-анатомічних структур рослин відбувалася без прямого звязку із зміною величини геномів та/або окремих хромосом. Зменшення ж числа хромосом у каріотипі, описане Babcock, як паралельне з процесом спеціалізації морфологічних структур у 104 видів у роді Crepis, не було підтверджено нами при вивченні 27 вибіркових видів.
Величина генома та індивідуальних хромосом у взаємозвязку з екогеографічним та історичним походженням видів у роді Crepis. Каріотипи давніх видів Crepis представлені як дрібними, так і дуже крупними хромосомами і середніми у сучасних видів, причому їхня кількість у каріотипах дрібнохромосомних видів вища (n=9), ніж у середньохромосомних (n=4, n=3). Утворення нових видів Crepis відбувалося на тлі їхнього інтенсивного розподілу по всій земній кулі (Babcock and Cameron, 1934). На підставі даних про особливості екогеографічного походження видів Crepis та одержаних величин оптичної щільності набору хромосом каріотипів ми встановили, що види з дрібними хромосомами (»1.5, 3.0, 4.5 од.оптич.щільн.) населяють тропічні райони Африки (C.bulbosa), вологі багнисті місця південних районів (C.paludosa, C.lyrata) вони є диплоїдами з незначною кількістю хромосом, що визначає, за нашими даними, також і низьке значення величин інтегрованої оптичної щільності суми хромосом каріотипів (рис.5).
Jenkins (1946) зазначив факт широкого розповсюдження явища поліплоїдії серед дрібнохромосомних північноамериканських видів Crepis (n=11, n=22, n=44, n=88). У звязку з тим, що в наших дослідженнях хромосоми схожого розміру були зареєстровані для виду C.bulbosa, висловлено припущення, що можливими предковими формами американських видів були види африканських тропіків, занесені на американський континент під час інтенсивних міграцій приблизно 200 років тому, і що поліплоїдизація генома може здійснюватися протягом досить короткого проміжку часу та бути повязана з адаптацією рослин до нових екологічних умов. Встановлено, що морфологічно високо-спеціалізовані види Crepis властиві районам Середземноморя, зонам помірного клімату і мають хромосоми середні за розміром (12,0±6,0 од.оптич.щільн.). Це види C.setosa, C.sancta, C.micrantha, C.leontodontoides, C.capillaris, С.foetida, C.alpina. C.incarnata, C.rubra, C.vesicaria ssp. haensleri, C.taraxacifolia, C.aurea. Значне збільшення кількості генетичного матеріалу на геном спостерігається серед видів, розповсюджених у районах Півночі (C.sibirica, C.biennis, C.pontana) та в високогірях (C.dioscoridis, C.multicaulis, C.blattaroides, C.conyzifolia). За винятком виду C.biennis, що є поліплоїдом з розміром хромосом 6,0±1,5 (n=22), каріотипи решти вивчених видів цієї групи наведені хромосомами порядку 30,0±10,0 од. оптич. щільн.
В цілому показано, що збільшення величини каріотипу і/або окремих хромосом відбувається у взаємозвязку з адаптацією видів до умов високогіря та крайньої Півночі.
Числові й структурні перебудови хромосом як можливі показники еволюції каріотипів видів Crepis.
Індукована мінливість хромосом сучасних і давніх видів Crepis одержана нами внаслідок експонування корінців проростків на ділянках з малим радіаційним фоном у Чорнобилі. При цьому вивчена можливість опису типів кількісної та структурної мінливості хромосом, які не реєструють традиційними методами. На основі одержаних даних висловлено припущення про можливі шляхи формування каріотипів видів Crepis, показана значна чутливість давніх видів до малих доз радіації за рахунок особливої схильності їхніх хромосом до розривів, особливо в місцях прилягання чималих темних блоків. Для сучасних видів Crepis зареєстровані особливі зміни щільності на одному з плечей хромосоми, які виражені в появі чималого темного сегмента, що можна спостерігати у прометафазі на одному з гомологів.
В результаті серед видів C.alpina, C.foetida.C.zacintha (сучасна група) і C.dioscoridis, C.blattaroides (давня група) зареєстровано та виміряно такі чисельні й структурні перебудови, як анеуплоїдія, ендоредуплікація, делеція, дуплікація, кільцеві хромосоми, нерівний сестринський хроматидний обмін, зміна положення та/ або величини темних сегментів. ген crepis еволюціяРозроблено і запропоновано кількісний цитофотометричний метод аналізу зображень, що дозволяє співвідносити кількість матеріалу в окремих хромосомах та внутрішньохромосомних ділянках шляхом виміру їхньої інтегрованої оптичної щільності на прикладі 27 видів роду Crepis. Розроблений метод дозволяє обєктивно оцінювати розподіл у кожній хромосомі ділянок різної оптичної щільності - умовних сегментів. Показано стабільність та відтворення таких характеристик для індивідуальних хромосом у межах каріотипів досліджених видів.
Показано, що розроблений метод аналізу умовних сегментів хромосом є ефективним додатковим морфологічним методом для виявлення схожих хромосом при вивченні еволюції каріотипу видів триби Crepidinae, зокрема при порівняльному аналізі дрібнохромосомних видів.
На підставі виміру величин інтегрованої оптичної щільності плечей хромосом, оцінки сегментації хромосом за значенням середньої оптичної щільності виявлені міжвидові розбіжності складу подібних за лінійними розмірами груп "середніх хромосом" у видів C.alpina і C.foetida.
Одержані дані про розбіжності в інтегрованій оптичній щільності свідчать, що кількість матеріалу в каріотипах і хромосомах може суттєво варіювати у видів Crepis: між каріотипами - у 8-10 разів, між хромосомами - в 20-30 разів.
Встановлено, що відносно більша величина інтегрованої оптичної щільності каріотипів та окремих хромосом частіше зустрічається у видів, які відтворюються в умовах високогіря й крайньої Півночі.
Виявлено, що давні види роду Crepis відрізняються від молодих значно ширшим розмахом міжвидової мінливості хромосом за величинами й кількістю темних сегментів, які виявляють шляхом аналізу середньої оптичної щільності прометафазних хромосом.
Вивчення мінливості розмірів та сегментної організації хромосом методом денситометричного сканування зображень довело, що величина каріотипів, виміряна як інтегрована оптична щільність у різних видів відповідає відтворенню видів у різних екологокліматичних умовах, але не відображає їхні філогенетичні взаємозвязки.
Список литературы
1. Крапивенко Е.Ф., Башмакова Е.Ю, Иванова (Гостева) Е.В. Особенности дифференциальной окраски хромосом растений семейств лилейных, сложноцветных, зонтичных и розоцветных//Бюл. Никит. бот. сада.- 1983.- Вып.91.- С.17-26.
2. Иванова (Гостева) Е.В. Эволюция хромосомного набора на примере видов Crepis rhoeadifolia, C. alpina, C. tectorum//Бюл. Никит. бот. сада.- 1985. - Вып. 58. - С.89-93.
3. Gosteva E.V., Gostev A.A. A conception of eukaryotic chromosomal structure and evolution//Acta.Zool. Fennica.- 1992.-191.- P. 183-189.
4. Гостева Е.В. Денситометрическое сканирование хромосом растений в целях их идентификации//Цитология и генетика.- 1998.- т. 32.- № 5.- С. 17-21.
5. Гостева Е.В. Различия в структурном состоянии хромосом древних и современных видов Crepis//Бюл.Никит.ботан.сада.- 1998. - Т. 80. - С. 124-127.
6. Гостева Е.В. Основные положения об эволюции генома высших растений//Пространство и время в географии. - Казань, 1989. - С. 105-108.
7. Гостева Е.В., Гостев А.А. Особенности выбора модельных объектов для экологического мониторинга радиационных загрязнений//Биологические и радиоэкологические аспекты аварии на Чернобыльской АЭС.- Чернобыль, 1990.- С.172.
8. Гостева Е.В., Гостев А.А. Некоторые подходы к оценке изменчивости хромосом и геномов в условиях экологической “нестабильности”// Сб. Биологические и радиоэкологические аспекты аварии на Чернобыльской АЭС.- Чернобыль, 1990.- С.156.
9. Gosteva E.V. Some evolutionary aspects in chromosome structural organization variability of higher plants// Proceedings of 19th Annual Meeting of EEMS, Rhodes. - Greece, 1989. - P.100.
10. Gosteva E., Gostev A. Low levels radiation effects cause not genotoxic by genoinnovative events?//25th Annual.Meet.Eur.Soc. Radiat.Biol.-Stockholm,1993. - Abstract PO. - Р. 9-31.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
