WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Роль мобильных элементов в микроэволюционных процессах у растений на примере aegilops speltoides (triticeae, poaceae). молекулярно-цитогенетический и молекулярно-генетический анализ.

-- [ Страница 1 ] --

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БЕЛЯЕВ Александр Александрович

Роль мобильных элементов в микроэволюционных процессах у растений на примере Aegilops speltoides (Triticeae, Poaceae).

Молекулярно-цитогенетический и молекулярно-генетический анализ.

Специальность: 03.00.15 - Генетика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора биологических наук

Санкт Петербург – 2009

Работа выполнена в лаборатории молекулярной цитогенетики растений Института эволюции Университета Хайфы.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Бадаева Екатерина Дмитриевна

доктор биологических наук

Гагинская Елена Романовна

доктор биологических наук

Шнеер Виктория Семёновна

Ведущее учреждение: Институт общей генетики РАН

Защита состоится « » _______________ 2009 г. в ___ часов на заседании совета Д.212.232.12 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034 Санкт- Петербург, Университетская наб. 7/9, СпбГУ, биолого-почвенный факультет, кафедра генетики и селекции, аудитория 1.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан « »________________ 2009 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета

Кандидат биологических наук Л. А. Мамон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Микроэволюция – это эволюционные преобразования внутри вида на уровне популяций и демов, ведущие к внутривидовой дивергенции и видообразованию (Воронцов 1999). Микроэволюцию можно определить как систематическое изменение частот гомологичных аллелей, участков хромосом или целых хромосом в локальной популяции. Иначе говоря, микроэволюцией называют любое увеличение или уменьшение частоты в генофонде какой-либо вариантной формы, которая продолжает встречаться в популяции из поколения в поколение (Четвериков 1929, Шмальгаузен 1968, Тимофеев-Ресовский 1958, Грант 1991, Воронцов 1999). Исследованию микроэволюции посвящено много работ, однако природа ее молекулярных механизмов, прдолжает широко дискутироваться.

Дикие пшеницы, как полиплоидные, так и диплоидные, – представляют собой прекрасную модель для исследования микроэволюционных процессов. Немаловажно, что у них крупные хромосомы, и генетика этой группы видов исследована достаточно хорошо. Детальному исследованию пшениц уже больше ста пятидесяти лет, что позволяет проводить сравнительный анализ собственных результатов, полученных экспериментальным путём, и данных, уже имеющихся в литературе.

Данное исследование посвящено изучению микроэволюционных процессов в природных популяциях диких пшениц. В основу были положены несколько гипотез, основанных как на изучении существующей литературы, так и на почти десятилетних полевых наблюдениях над дикими пшеницами Израиля. Первая гипотеза предполагает, что в современных популяциях диких пшениц и в настоящее время продолжается интенсивный процесс формо- и видообразования (Жуковский 1928, Zohary и Imber 1963). В основу второй гипотезы легло предположение о том, что активность мобильных элементов является основной движущей силой изменчивости генома в небольших краевых популяциях диплоидной дикой пшеницы Ae. speltoides. Третья гипотеза предполагает, что активность мобильных элементов и хромосомные перестройки – процессы взаимозависимые, приводящие, в отдельных случаях, к быстрому возникновению репродуктивной изоляции, т. е. к видообразованию по симпатрической модели. Таким образом, настоящее исследование находится на стыке эволюционной биологии, цитогенетики и молекулярной генетики, и послужит ещё одним шагом к пониманию механизмов микроэволюционных процессов. В работу включён материал, относящийся только к диплоидным видам диких пшениц, и не затрагиваются проблемы видообразования путём полиплоидизации.

Цель работы. Данная работа ставила своей целью дальнейшее изучение механизмов формо- и видообразования на молекулярно-цитогенетическом уровне у Aegilops speltoides.

Основные задачи исследования. Ниже приведён ряд нерешённых вопросов, которые и послужили отправными точками настоящего исследования:

  • идёт ли в данный момент процесс видообразования в группе Sitopsis, и если «да», то по какой модели, чем видообразование вызвано, и какова эволюционная связь Aegilops speltoides с родственными видами в группе Sitopsis;
  • каковы цитогенетические и молекулярные механизмы видообразования, и существует ли связь между ними;
  • какова роль этих механизмов в образовании репродуктивных барьеров;
  • какова пространственная и временная динамика мобильных элементов в геноме Ae. speltoides;
  • играют ли мобильные элементы какую-либо роль в образовании новых форм в небольших краевых популяциях растений, где, как известно, прцессы формообразования интенсифицированны (Тимофеев-Ресовский и др. 1977).

Исходя из поставленных вопросов, был разработан алгоритм исследования генома Ae. speltoides. Планировался сбор растений из ряда популяций втечении нескольких лет. В качестве первого шага лабораторных исследований, предполагалось разработать метод выявления на хромосомах консервативных / лабильных районов хроматина. Затем, для лабильных районов предполагалось молекулярно-цитогенетическими методами определить количественное и качественное содержание мобильных элементов (копийность и присутствие хромосомных кластеров элементов определённого типа в геноме). Предполагалось клонирование высококопийных ретротранспозонов и транспозонов с последующим использование полученных клонов в качестве молекулярных проб для in situ гибридизации, а также сравнительное исследование хромосомного распределения различных мобильных элементов в нескольких популяциях Ae. speltoides. Для выявления общих закономерностей предполагалось провести сравнительный анализ хромосомного распределения мобильных элементов у других видов Poaceae. Планировалось также исследовать динамику изменения копийности мобильных элементов во времени путём анализа ряда поколений, а также транспозиционную и транскрипционную активность мобильных элементов в генеративных и вегетативных тканях, особенно у растений с различными хромосомными аберрациями. Для более детального анализа процессов формо- и видообразования на хромосомном уровне и динамики мобильных элементов во времени была выбрана небольшая популяция Ae. speltoides, расположенная рядом с прибрежными дюнами Хайфского залива по берегам реки Кишон. Анализировалась также близлежащая, самая северная, крупная популяция Ae. sharonensis родственного вида, также принадлежащего к группе Sitopsis.



Подобный подход, сочетающий в себе как детальный анализ отдельной популяции, так и сравнение нескольких популяций и видов, предполагал достаточно детально представить вариабельность генома Ae. speltoides на уровне хромосомных перестроек, хромосомного распределения мобильных элементов а также их пространственную и временную динамику.

Научная новизна работы. Данная работа является первым комплексным исследованием процессов формо- и видообразования у диких диплоидных видов пшениц. Применение новейших методов молекулярной цитогенетики и молекулярной генетики позволило впервые описать микроэволюционные процессы на молекулярном уровне, происходящие в небольшой краевой популяции Ae. speltoides. Впервые показана активная роль мобильных элементов, относящихся к различным классам, в изменениях генома растений при видообразовании. Разработан метод молекулярно-цитогенетического разделения районов хромосом по степени их эволюционной стабильности, и показано, что у Ae. speltoides в процессе видообразования наиболее значимо изменяют свой нуклеотидный состав районы терминального гетерохроматина, обогащённые ретротранстозонами Класса I (элементами родственными ретровирусам, которые могут составлять до 80% генома злаков, и перемещающихся по геному с помощью промежуточной РНК) семейств Ty1-copia и LINE.

Показано, что хромосомное распределение ретротранспозонов семейства Ty3-gypsy (Класс I) и Ас транспозонов (Класс II - активных элементов, перемещающихся по геному путём вырезания-вставки) неодинаково в популяциях из различных климатических зон, что предполагает определённую зависимость активности мобильных элементов от факторов внешней среды.

Впервые показана активация En/Spm транспозонов (Класс II) в процессе гаметогенеза у Ae. speltoides. Кластеры мобильных элементов этого типа обнаружены в районах крупных хромосомных перестроек, а также совместно с нерегулярными кластерами 5S рДНК, что свидетельствует об их активной роли как в переносе 5S рРНК генов по геному, так и в процессе изменения структуры хромосом, постоянно происходящего в небольших краевых популяциях злаков.

В той же небольшой краевой популяции Ae. speltoides был отобран ряд генотипов и получены уникальные данные по динамике копийности мобильных элементов во времени. При этом симулировались реальные условия, когда при воздействии неблагоприятных внешних условий перекрёстноопыляемые растения переходят к самоопылению. Была отмечена повышенная активность мобильных элементов, относящихся к разным классам. Периоды подъёма копийности чередовались со снижением в ряду поколений при самоопылении. Активность мобильных элементов сопровождалась морфологическими и хромосомными аберрациями.

На основании комплекса полученных данных выдвинута и частично обоснована гипотеза о том, что в популяциях Ae. speltoides идёт активный процесс формо- и видообразования, и данный вид может являться предковым для группы видов секции Sitopsis.

Практическая ценность работы. Ещё одним немаловажным аргументом в пользу выбора объекта явилось то, что пшеница – одно из самых древних культивируемых растений. Значение этого растения для Европейской цивилизации трудно переоценить. Интерес к диким пшеницам вызван в первую очередь возможностью обогащения генетического пула культивируемых сортов (Вавилов 1987), и по уровню финансирования научных исследований пшеница стоит на третьем месте после риса и ячменя. Селекционеры постоянно работают над созданием новых сортов пшениц как традиционными методами, так и современными методами генетической и хромосомной инженерии. Однако, очень часто, подобные работы выполняются экстенсивным методом, и пары для скрещиваний подбираются без учёта индивидуальных особенностей геномов родителей. Знание закономерностей формо- и видообразования в естественных популяциях позволит рациональнее планировать селекционные программы, избегая значительных материальных затрат.





Апробация работы. Результаты исследования докладывались на различных международных и всероссийских конгрессах, конференциях и семинарах, в том числе: 3-й Конференции по Кариологии растений (Санкт Петербург, Росси, 1992), Международном семинаре «Организация генома и эволюция» (Хайфа, Израиль, 2001), 4-м Международном Triticeae конгрессе (Кордоба, Испания, 2001), 14-й Международной хромосомной конференции (Вюрсбург, Германия, 2001), Кейстоун конференции С6 «Сравнительная геномика растений» (Таос, Нью Мексико, США, 2004), 15-й Международной хромосомной конференции (Лондон, Великобритания, 2004), 5-й Международной конференции по кариологии и кариосистематики (Санкт Петербург, Россия, 2005), 8-й Гатерслебенской конференции (Гатерслебен, Германия, 2005), семинаре «Новые горизонты эволюционной биологии» (Хайфа, Израиль, 2007), Международной конференции в честь столетия открытия Ааронсоном популяций дикой тетраплоидной пшеницы (Тверия, Израиль, 2007), 6-й Европейской Цитогенетической конференции (Стамбул, Турция, 2007). Кроме того, по материалам исследований в 2007 году были прочитаны лекции в Хельсинском университете, в MTT Agrifood Research Finland и в университете Беер-Шевы.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 печатных работ в ведущих международных и отечественных научных журналах.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 250 страницах, включая 47 рисунков, 13 таблиц, список литературы, содержащий 271 ссылку и приложение, включающее клонированные нуклеотидные последовательности, опубликованные в базе данных GeneBank. Она состоит из введения, четырёх глав, выводов и заключения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Во введении обосновывается выбор темы и объекта исследования.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обзор литературы состоит из пяти разделов: (1) проблема видообразования; (2) род Aegilops: систематика, эволюция; (3) секция Sitopsis рода Aegilops; (4) мобильные элементы: их открытие, свойства, классификация и возможная роль в эволюционном процессе; (5) мобильные элементы как основная составляющая высокоповторяющейся фракции ДНК генома злаков. В конце каждой главы ставятся вопросы для последующего изучения.

Раздел 1.1. Проблема видообразования.

В этом разделе изложена кратка история исследования видообразования и рассмотрены основные современные работы в этой области (Четвериков 1929, Dobzhansky 1935, 1937, Mayr 1942, Stebbins 1950, Lewis 1953, Lewis и Roberts 1956, Lewis и Raven 1958, Lewis 1962, Тимофеев-Ресовский и др. 1977, White 1978, Grant 1981, Rieseberg 2001, Gavrilets 2003, Coyne и Orr 2004). Обсуждено понятие вида в современной литературе. Отмечено, что точки зрения на процесс видообразования и его движущие силы значительно различаются. Особое внимание уделено симпатрической модели видообразования. Приведена современная классификация репродуктивных барьеров применительно к растениям. Определён круг вопросов, требующих объяснения, а также дана краткая характеристика современных методов молекулярной цитогенетики, исползуемых для решения некоторых из этих вопросов (Woo и др. 1994, Hanson и др. 1995, Fuchs и др. 1996, Mikhailova и др. 1998, Lysak и др. 2001, 2003, Ali и др. 2000, Kotseruba и др. 2003, Silkova и др. 2006).

Раздел 1.2. Род Aegilops: систематика, эволюция.

В разделе дана краткая история систематики рода Aegilops (Жуковский 1928, Eig 1929, Kihara 1963, Stebbins 1956, Morris и Sears 1967, Цвелёв 1976, Тахтаджян 1987), и современная точка зрения на происхождение группы фестукоидных злаков (Невский 1937, Цвелёв 1976, Tchernov 1988). Также в этом разделе по литературным данным характеризуется влияние Четвертичного оледенения на эволюцию флоры Леванта (Жуковский 1928, Zohary 1973).

Раздел 1.3. Секция Sitopsis рода Aegilops.

В этом разделе дано описание видов, входящих в секцию Sitopsis рода Aegilops. Секция включает пять видов: Ae. speltoides Tausch., Ae. longissima Sweinf. et Muschl., Ae. searsii Feldman et Kislev, Ae. sharonensis Eig и Ae. bicornis Forssk. Внутри секции Ae. speltoides, являющийся основным модельным объектом данной работы, выделяется по морфологии, жизненной форме и условиям произрастания (Dvorak и Zhang 1992, Kimber и Feldman 1987). Ae. speltoides диморфный вид (Zohary и Imber 1963), причём ssp. auchery и ssp. ligustica долго считались отдельными видами (Жуковский 1928, Eig 1929, Гончаров 2002). Но Сирс (Sears 1941) на основе изучения рекомбинантных растений и растений с промежуточным фенотипом предположил наличие группы сцепленных генов. На основе подробного анализа литературных данных нами была выдвинута гипотеза о том, что Ae. speltoides может являться материнским видом секции Sitopsis.

Раздел 1.4. Мобильные элементы: их открытие, свойства, классификация и возможная роль в эволюционном процессе.

В этом разделе приведена краткая история открытия мобильных элементов, их классификация, особенности работы с данной фракцией ДНК и современные точки зрения на роль мобильных элементов в эволюции генома, которые можно разделить на две группы (Doolittle и Sapienza 1980, Orgel и Crick 1980 Golding и др. 1986, Hartl 1988, Charlethworth и Langley 1989, Preston и Engels 1989, Starlinger 1993, Maynard Smith и Szathmary 1995, Engels 1996). Первая группа гипотез предполагает, что:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 


Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.