ДЛИТЕЛЬНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТБОР КАК ИСТОЧНИК НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

А. М. Марвин, К. А. Давиденко, Н. А. Марвин, Л. В. Крысова, О. Н. Антосюк

Уральский государственный университет им. А. М. Горького

Екатеринбург, Россия: kdavidenko@yandex. ru

Осуществлен длительный направленный отбор на частоту встречаемости повреж — дения крыла одновременно у двух межлинейных гибридов Drosophila melanogaster на протяжении 425 поколений с использованием мутации vestigial. Была прослежена динамика изменения генотипической среды с использованием таких показате — лей, как динамика частоты повреждения крыла, экспрессивности и пенетрант — ности изучаемого признака, жизнеспособности, морфометрии крыла и площади дорзального мезоторакального диска. В ходе отбора было обнаружено неодно — кратное появление спонтанных мутаций yellow, white и scalloped, в связи с чем нами высказано предположение о наличии мобильных генетических элементов в исследуемых линиях. Изменение направления отбора является наиболее эффек — тивным в отношении мутационного процесса. Факт многократного возникновения спонтанной мутации scalloped у гетерозигот по vestigial подтверждает взаимодей — ствие продуктов данных генов, выявленное ранее Halder G. и Carrol S. B. на моле — кулярном уровне.

Ключевые слова: Drosophila melanogaster, длительный направленный отбор, генети — ческая ассимиляция, vestigial, scalloped, жизнеспособность, морфометрия крыла.

Вопрос об источниках наследственной изменчивости и творческой роли отбора неизменно занимает важное место в эволюционном учении на протяжении всей его истории. Одним из важнейших следствий физиологической гипотезы мутационно — го процесса, выдвинутой Михаилом Ефимовичем Лобашевым в 1947 г. (Лобашев,

1976), является тезис о зависимости уровня генетической изменчивости от направ — ления отбора и степени адаптации селектируемых линий повреждающим фактором среды. Согласно этой гипотезе, чем меньше организм приспособлен к тем или иным факторам среды, действующим на него, тем эффективнее эти факторы индуцируют процесс мутационных изменений, «а изменение направления отбора или ускорение направления его темпов одновременно сопровождается обязательным повышением темпов мутационной изменчивости». Справедливость подобных утверждений не — однократно подтверждалась в ходе экспериментов по длительному направленному отбору, в том числе и на дрозофиле.

Данная работа посвящена изучению генетических последствий длительного направленного отбора и источников генетической изменчивости в инбредных ли — ниях показали эксперименты Р. Гольдшмидта (Gold — schmidt, 1939) и последующих авторов (Green, Oliver, 1940), повреждение крыла типа «вырезка» у межлинейных гибридов с использованием мутантной линии vg наследуется, а ее частота способна повышаться в ходе отбора.

Всё это позволило высказать предположение, что данная модельная система мо — жет быть использована для решения поставленной цели: изучить влияние длитель — ного направленного отбора на частоту встречаемости повреждения крыла у межли — нейных гибридов на процессы изменения генотипической среды.

Материалы и методы

Линии Drosophila melanogaster, использованные в работе. В основном экспери — менте нами были использованы следующие линии Dr. melanogaster: линия дикого типа Canton-S, линия Bar (B, I-57.0), vestigial (vg, II-67.0). В ходе межлинейной ги — бридизации Bar x vg созданы две основные линии дрозофилы, претерпевшие 425 по — колений отбора: Bar св2 (полосковидный глаз, повреждения на обоих крыльях), Bar++ св2 (круглый глаз, повреждения на обоих крыльях). Общая выборка — около

1 млн особей, индивидуально проанализированных на частоту встречаемости по — вреждений крыла.

Метод комплексного анализа жизнеспособности. В целях количественной и ка — чественной оценки наблюдаемого явления «генетической ассимиляции» нами были использованы такие параметры оценки жизнеспособности, как средняя индивиду — альная плодовитость за 10–12 дней опыта, частота встречаемости эмбриональных и постэмбриональных леталей. Общая выборка проанализированных яиц — свыше

300 тыс.

Метод анализа морфологической изменчивости крыла дрозофилы. Для оценки

динамики изменения картины морфогенеза крыла, которая сопровождается процес-сом генетической ассимиляции в ходе отбора, мы использовали морфометрический

анализ крыла по 24 показателям с последующей программной обработкой с приме-нением метода дискриминантного анализа. В ходе этой работы было осуществлено

около 150 тыс. промеров.

Для объективной оценки процесса апоптоза на уровне дорзального мезотора — кального диска был осуществлен анализ площади крыловых дисков в у. е. на позд — ней стадии третьего личиночного периода с учетом половых различий. Всего было использовано около 1000 дорзальных мезоторакальных дисков.

Метод оценки пространственной картины повреждения крыла. Было выделено

9 базовых типов повреждения крыла, охватывающих все ячейки дистальной части.

Это позволило охарактеризовать количественно все варианты повреждений и на их

основе дать количественную оценку повреждаемости каждой из пяти ячеек.

Результаты и обсуждение

Как мы уже отмечали выше (Goux, 1973), частота встречаемости повреждения крыла типа «вырезка» у межлинейных гибридов с использованием мутации vesti — gial в F1 может быть различной — от 0,2 до 74 %, в зависимости от линии дикого типа. Поэтому в качестве предопыта нами были получены межлинейные гибриды с использованием 10 различных типов линий дикого типа. Максимальная частота встречаемости повреждения крыла в F1 составила 10 % (линия Host), тогда как минимальная — 0,8 % (линия Крым). Однако к F11 отбора эти различия нивелиру — ются и составляют 70–75 %. Следовательно отбор по изучаемому признаку эффек — тивен и достаточно жестко контролируется.

Согласно литературным данным (Silber, Becker, 1981; Sin, 1982; Silber at al., 1989; Silber, 1993; Zieder at al., 1996) и нашим предыдущим исследованиям, у мутантной линии vg уже на самых ранних этапах эмбрионального развития можно обнаружить нарушения как синтеза ДНК, так и белка. Таким образом, мутация vg оказывает ярко выраженный плейотропный эффект (Halder at al., 2001).

Кроме того, наиболее характерным для мутации vg является повышение ак — тивности фермента гипоксантин-гуанин-фосфорибозил трансферазы (ГГФТ), в результате чего наблюдается увеличенная концентрация предшественников ДНК. Уровень данной активности существенно снижается у гетерозигот, однако продол — жает оставаться на достаточно высоком уровне. На морфологическом уровне это сопровождается у гетерозигот незначительным изменением, по сравнению с линией дикого типа, размеров имагинального дорзального мезоторакального диска, крыла и других параметров.

С другой стороны, в линиях дикого типа различного происхождения можно об — наружить значительное снижение активности фермента дигидрофолатредуктазы, которая принимает участие в синтезе пуриновых оснований. Таким образом, появ — ление повреждения крыла у межлинейных гибридов обусловлено снижением ак — тивности дигидрофолатредуктазы на фоне повышенной активности ГГФТ. Всё это в целом оказывает влияние на интенсивность апоптоза в структурах крыла в ходе онтогенеза.

В основных наших экспериментах по длительному отбору мы использовали межлинейные гибриды ♀Bar X ♂vg. Динамика частоты встречаемости повреждения крыла в ходе длительного направленного отбора в различных линиях представлены на рисунках. В линии ♀Bar X ♂vg в F1 частота повреждения крыла составила 0,2 % с последующим увеличением в ходе отбора. В F12 на основе этой линии были созданы две линии дрозофилы, которые были условно обозначены Bar св2 и Bar++св2. Раз — личия между этими двумя линиями на первых этапах отбора состояли лишь в том,

что одна линия демонстрировала полосковидные глаза, а другая — круглые. В обоих вариантах частота встречаемости повреждения крыла в F1 составила 0,2 %.

Во всех трех линиях на первых этапах отбора в течение 30 поколений был про-слежен сходный характер картины изменения повреждения крыла в количествен- ном и качественном отношении. Поэтому можно ограничиться характеристикой из- учаемых нами процессов генетической ассимиляции на примере одной из них — Bar св2. К F30 отбора частота встречаемости повреждения крыла в этой линии достигла

90 % (рис. 1).

Использование 9 базовых типов повреждений (морф) позволяет дать не толь — ко количественную, но и пространственную характеристику картины повреждения крыла (рис. 2). На первых этапах отбора основной зоной повреждения крыла явля- ется первая задняя ячейка и прилегающие к ней субмаргинальная и вторая задняя ячейка, причем повреждения носят, как правило, односторонний характер. В ходе отбора зона повреждения крыла охватывает всё новые ячейки дистальной части крыла. Такого рода картина повреждения косвенно подтверждает предположение

Рис. 1. Динамика частоты встречаемости повреждений крыла типа «вырезка»

у межлинейного гибрида Bar св2 в ходе длительного отбора

Рис. 2. Динамика частоты повреждения отдельных ячеек крыла особей линии Bar св2

в ходе длительного отбора

о том, что особи с повреждением крыла по своей природе являются гетерозиготами по vg. Из литературных данных известно, что у мутантной линии vg основной очаг апоптоза в дорзальном мезоторакальном диске приурочен к строго локализован — ной зоне и эта зона охватывает в первую очередь первую заднюю ячейку (морфа 3). Данная локальная зона повреждения на цитологическом уровне в ходе отбора рас — ширяет свои границы, охватывая влево и вправо соответствующие ячейки

90 % (рис. 1).

Использование 9 базовых типов повреждений (морф) позволяет дать не толь — ко количественную, но и пространственную характеристику картины повреждения крыла (рис. 2). На первых этапах отбора основной зоной повреждения крыла явля- ется первая задняя ячейка и прилегающие к ней субмаргинальная и вторая задняя ячейка, причем повреждения носят, как правило, односторонний характер. В ходе отбора зона повреждения крыла охватывает всё новые ячейки дистальной части крыла. Такого рода картина повреждения косвенно подтверждает предположение

Рис. 1. Динамика частоты встречаемости повреждений крыла типа «вырезка»

у межлинейного гибрида Bar св2 в ходе длительного отбора

Рис. 2. Динамика частоты повреждения отдельных ячеек крыла особей линии Bar св2

в ходе длительного отбора

о том, что особи с повреждением крыла по своей природе являются гетерозиготами по vg. Из литературных данных известно, что у мутантной линии vg основной очаг апоптоза в дорзальном мезоторакальном диске приурочен к строго локализован — ной зоне и эта зона охватывает в первую очередь первую заднюю ячейку (морфа 3). Данная локальная зона повреждения на цитологическом уровне в ходе отбора рас — ширяет свои границы, охватывая влево и вправо соответствующие ячейки

110 поколений среди особей с двусторонним повреждением крыла помимо генотипа

vg+/vg присутствуют в определенном количестве и особи vg+/vg+. Другими сло — вами, повреждение дистальной части крыла типа «вырезка» частично базируется на иной генетической основе. Хотя практически отличить повреждения крыла двух разных генотипов визуально не представлялось возможным. В дальнейшем в линии Bar++св2 также были выявлены особи с генотипом vg+/vg+, несущие повреждение дистальной части крыла. Методами генетического анализа было установлено, что наследование данного типа повреждения крыла сцеплено с полом. Таким образом, вновь выделенная морфологическая мутация локализована в Х-хромосоме и с боль — шой вероятностью может быть отнесена к локусу scalloped (рис. 4). Дальнейшие ис — следования в этой линии sd показали, что ее пенетрантность составляет 60–70 %, а экспрессивность варьирует в значительных пределах, охватывая практически все ячейки дистальной части крыла, но преимущественно первую заднюю, маргиналь — ную и вторую заднюю ячейки.

Аналогичные результаты в отношении выявления и создания мутантной линии scalloped были получены в линии Bar++ св2, а также произошедших из нее wBar+ св2, ywBar++ св2 (рис. 4). Дискриминантный анализ с использованием 24 морфометри- ческих показателей крыла позволяет наглядно выявить этот мутантный фенотип крыла, особенно на первых этапах отбора. В ходе плюс-селекции выборки особей Bar св2 и мутантной линии sd демонстрируют картину последовательного сближе — ния параметров крыла. Как показали наши исследования, в ходе отбора доля особей sd (vg+/vg+) возрастает (риc. 5).

Таким образом, результаты по изучению явления генетической ассимиляции в ходе длительного направленного отбора на частоту встречаемости повреждения крыла, осуществленные нами на базе межлинейной гибридизации, позволяют гово — рить о том, что отбор может выступать источником наследственной изменчивости. Этот процесс в ряде случаев сопровождается возникновением спонтанных мутаций yellow, white и scalloped.

Следует подчеркнуть, что наиболее результативным в отношении мутацион — ного процесса является изменение направления отбора (рис. 4). Используемые нами критерии анализа процесса генетической ассимиляции — динамика часто — ты повреждения крыла, экспрессивности и пенетрантности изучаемого признака, жизнеспособности, морфометрии крыла и площади дорзального мезоторакаль — ного диска — позволяют проследить наличие постоянных изменений генотипи — ческой среды, вне зависимости от появления спонтанно возникающих мутаций. Тем не менее наши данные не позволяют сделать окончательный вывод о том, что обнаруженные нами наследственные изменения возникли de novo в ходе отбора, а не являются результатом наличия скрытой наследственной изменчивости у роди — тельских форм (Rutherford, Linquist, 1998).

Исследования поддержаны государственным контрактом №П1709 в рамках фе — деральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры иннова — ционной России».

Литература

Захаренко Л. П. Анализ каскада видимых мутаций у Dr. melanogaster // Дрозофила в экспери- ментальной генетике и биологии. Харьков : Изд-во ХНУ, 2008. С. 31–33.

Лобашев М. Е. Физиологическая гипотеза мутационного процесса // Исследования по гене — тике. 1976. Вып. 6. С. 3–15.

Bownes M., Roberts S. Regulative properties of wing disc from the vestigial mutant of Drosophila melanogaster // Differentiation. 1981. Vol. 18. № 2. P. 89–96.

Fristrom D. Cellular degeneration in wing development of the mutant vestigial of Drosophila mela- nogaster // Cell Biology. 1968. Vol. 39. № 2. P. 488–491.

Goldschmidt R., Gardiner E. J., Kodani M. A remarkable group of position effect // Proceedings of the National Academy of Science of the USA. 1939. Vol. 25. P. 314–317.

Goux J. M. Variation de la penetrance et de la dominance an locus vestigial chez la drosophile // Comptes Rendus de l’Academie des Scienes de Paris. 1973. № 277. P. 2413–2415.

Green M. M., Oliver C. P. The acion of certain mutants upon the penetrance of heterosigous vestigial wing in Drosophila melanogaster // Genetics. 1940. Vol. 25. P. 584–592.

Halder G., Carrol S. B. Binding of the Vestigial co-factor switches the DNA-target selectivity of the

Scalloped selector protein // Development. 2001. Vol. 128. P. 3295–3305.

O’Brochta D., Briant P. J. Cell degeneration and elimination in the imaginal wing discs caused by the

mutations vestigial and ultravestigial of D. melanogaster // W. Roux Archiv. 1983. Vol. 192.

№ 5. P. 285–294.

Rutherford S. L., Linquist S. Hsp90 as a capacitor for morphological evolution // Nature. 1998

Vol. 396. P. 336–342.

Silber J., Bazin C., Le Mann A. Vestigial mutant of Drosophila melanagaster live better in the pres-ence of aminopterin: sucreased level of dihydrofolate reductase in a mutant // Molecular &

general genetics. 1989. Vol. 218. P. 475–480.

Silber J., Becker J. Hypoxantine-guanine-phosphoribosyl-transferase (HGPRT) activity in the ves-tigial mutant of Drosophila melanogaster: Effect of inhibitors of the purine pathway // Ge-netica. 1981. Vol. 55. P. 217–220.

Silber J., Le Menn A., Chevillard S., Zieder A., Paumard S. The vestigial locus of Drosophila mela-nogaster is involved in resistance to inhibitors of dTMP synthesis // Molecular and general

genetics. 1993. Vol. 241. P. 42–48.

Sin J. T. A comparison of protein synthesis in imaginal wing discs of wild-type and vestigial of

Drosophila melanogaster // Insect Biochemistry. 1982. Vol. 12. № 2. P. 207–213.

Zieder A. Flagiello D., Prouin I., Silber J. Vestigial gene expression in Drosophila melanodaster is

modulated by dTMP pool // Molecular & general genetics.1996. Vol. 251. № 1. P. 91–98.

The Long Directed Selection as a Source of Hereditary Variability А. M. Marvin, K. A. Davidenko, N. A. Marvin, L. V. Krysova, O. N. Antosjuk Ural State University named after A. M. Gorky

Yekaterinburg, Russia: kdavidenko@yandex. ru

The long directed selection on frequency of occurrence of wing’s damages is carried out covered at two interstrain hybrids of Drosophila melanogaster simultaneously throughout

425 generations with use of mutation vestigial. Dynamics of changes of genotype environ — ment with use of such indicators, as dynamics of frequency of damage of a wing, expres — sion and penetrance of a studied sign, viability, wing’s morphometry and the area of dorsal mesothoracal disk has been tracked. During selection numerous occurrence of spontane — ous mutations yellow, white and scalloped was revealed, in this connection we come out the assumption of presence of mobile genetic elements in investigated strains. Change of a direction of selection is the most effective concerning mutational process. The fact of repeated occurrence of a spontaneous mutation scalloped at vestigial’s heterozygotes con — firms interaction of products of this genes, revealed earlier by G. Halder and S. B. Carrol at molecular level.

Keywords: Drosophila melanogaster, the long directed selection, genetic assimilation, ves- tigial, scalloped, viability, wing morphometry.

Материал взят из: Чарльз Дарвин и современная биология. Труды Международной научной конференции (21–23 сентября 2009 г., Санкт — Петербург)