Грибы — это разнообразная группа организмов, которые используют огромное количество репродуктивных стратегий , от полностью бесполых до почти исключительно половых видов. [1] Большинство видов могут размножаться как половым, так и бесполым путем, чередуя гаплоидные и диплоидные формы. Это контрастирует с большинством многоклеточных эукариот, таких как млекопитающие, у которых взрослые особи обычно диплоидны и производят гаплоидные гаметы , которые объединяются, образуя следующее поколение. У грибов могут размножаться как гаплоидные, так и диплоидные формы — гаплоидные особи могут подвергаться бесполому размножению, в то время как диплоидные формы могут производить гаметы, которые объединяются, давая начало следующему поколению. [2]
Спаривание у грибов — сложный процесс, регулируемый типами спаривания . Исследования спаривания грибов были сосредоточены на нескольких модельных видах с различным поведением. [3] [4] Не все грибы размножаются половым путем, и многие из тех, которые это делают, являются изогамными ; таким образом, для многих представителей грибного царства термины «самец» и «самка» не применимы. Гомоталлические виды способны спариваться сами с собой, тогда как у гетероталличных видов спариваться могут только изоляты противоположных типов спаривания.
Спаривание между изогамными грибами может заключаться только в переносе ядра из одной клетки в другую. Вегетативная несовместимость внутри вида часто препятствует спариванию грибкового изолята с другим изолятом. Изоляты одной и той же группы несовместимости не спариваются или спаривание не приводит к успешному потомству. Сообщалось о высокой изменчивости, включая спаривание с одинаковым хемотипом, спаривание спорофита с гаметофитом и двуродительский перенос митохондрий.
Гифа зигомицета растет в направлении совместимого партнера, и они оба образуют мост, называемый прогаметангией, соединяясь на кончиках гиф посредством плазмогамии . Пара перегородок образуется вокруг слитых кончиков, заключая в себе ядра от обоих изолятов. Вторая пара перегородок образует две смежные клетки, по одной с каждой стороны. Эти смежные клетки, называемые суспензорами , обеспечивают структурную поддержку. Центральная клетка, называемая зигоспорангием , предназначена стать спорой . Зигоспорангий является уникальной структурой для Zygomycota и легко узнаваем под микроскопом из-за своего характерного темного цвета и колючей формы. Ядра соединяются в процессе, называемом кариогамией, образуя зиготу , которая вырастает в зрелый диплоидный зигомицет. Диплоидный зигомицет может затем пройти мейоз, чтобы создать споры, которые рассеиваются и прорастают. Последующие поколения мицелия могут проходить бесполое или половое размножение. [5]
Приближаясь к партнеру, гаплоидный мешочный гриб развивает один из двух дополнительных органов: «женский» аскогоний или «мужской» антеридиум. Эти органы напоминают гаметангии, за исключением того, что они содержат только ядра. Образуется мостик, трихогиния, который обеспечивает проход для ядер, перемещающихся из антеридия в аскогоний. Из аскогония вырастает дикарион , и в плодовом теле происходит кариогамия .
Neurospora crassa — это тип красной хлебной плесени типа Ascomycota . N. crassa используется в качестве модельного организма , поскольку его легко выращивать и он имеет гаплоидный жизненный цикл: это упрощает генетический анализ, поскольку рецессивные признаки проявятся у потомства. Анализ генетической рекомбинации облегчается упорядоченным расположением продуктов мейоза внутри мешковидной структуры, называемой аском ( pl. asci ). В своей естественной среде обитания N. crassa обитает в основном в тропических и субтропических регионах. Его часто можно найти растущим на мертвом растительном материале после пожаров.
Neurospora использовалась Эдвардом Татумом и Джорджем Уэллсом Бидлом в экспериментах, за которые они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1958 году. Результаты этих экспериментов привели непосредственно к гипотезе « один ген, один фермент », согласно которой определенные гены кодируют определенные белки . Эта концепция положила начало молекулярной биологии . [6] Половые плодовые тела (перитеции) могут быть образованы только при слиянии двух клеток разного типа спаривания (см. рисунок). Как и другие аскомицеты, N. crassa имеет два типа спаривания, которые в данном случае обозначены как A и a . Очевидной морфологической разницы между штаммами типа спаривания A и a нет . Оба могут образовывать обильные протоперитеции, женскую репродуктивную структуру (см. рисунок). Протоперитеции легче всего образуются в лаборатории, когда рост происходит на твердой (агаровой) синтетической среде с относительно низким содержанием азота. [7] Азотное голодание, по-видимому, необходимо для экспрессии генов, участвующих в половом развитии. [8] Протоперитеций состоит из аскогония, спиральной многоклеточной гифы, которая заключена в узелковое скопление гиф. Разветвленная система тонких гиф, называемая трихогиной, простирается от кончика аскогония, выступая за пределы обшивочных гиф в воздух. Половой цикл инициируется (т. е. происходит оплодотворение), когда клетка, обычно конидия, противоположного типа спаривания контактирует с частью трихогины (см. рисунок). За таким контактом может следовать слияние клеток, приводящее к тому, что одно или несколько ядер из оплодотворяющей клетки мигрируют вниз по трихогине в аскогоний. Поскольку штаммы A и a имеют одинаковые половые структуры, ни один из штаммов не может рассматриваться как исключительно мужской или женский. Однако в качестве реципиента протоперитеций штаммов A и a можно рассматривать как женскую структуру, а оплодотворяющий конидий можно рассматривать как мужского участника.
Последующие шаги после слияния А и гаплоидных клеток были описаны Финчемом и Дэем [9] и Вагнером и Митчеллом [10] . После слияния клеток дальнейшее слияние их ядер задерживается. Вместо этого ядро из оплодотворяющей клетки и ядро из аскогония становятся связанными и начинают делиться синхронно. Продукты этих ядерных делений (все еще в парах разного типа спаривания, т. е. А/а ) мигрируют в многочисленные аскогенные гифы, которые затем начинают расти из аскогония. Каждая из этих аскогенных гиф изгибается, образуя крючок (или посох ) на своем кончике, а А и пара гаплоидных ядер внутри посоха делятся синхронно. Затем образуются перегородки, разделяющие посох на три клетки. Центральная клетка в изгибе крючка содержит одно ядро А и одно ядро а (см. рисунок). Эта двуядерная клетка инициирует формирование аска и называется клеткой «инициации аска». Затем две одноядерные клетки по обе стороны от первой клетки, образующей аск, сливаются друг с другом, образуя двуядерную клетку , которая может расти и образовывать еще один посох, который затем может образовывать свою собственную клетку инициации аска. Этот процесс может затем повторяться несколько раз.
После образования аск-инициальной клетки ядра A и a сливаются друг с другом, образуя диплоидное ядро (см. рисунок). Это ядро является единственным диплоидным ядром за весь жизненный цикл N. crassa . Диплоидное ядро имеет 14 хромосом, образованных из двух слитых гаплоидных ядер, каждое из которых имело по 7 хромосом. За образованием диплоидного ядра немедленно следует мейоз . Два последовательных деления мейоза приводят к четырем гаплоидным ядрам, двум типа спаривания A и двум типа спаривания a . Еще одно митотическое деление приводит к четырем ядрам A и четырем ядрам a в каждом аске. Мейоз является неотъемлемой частью жизненного цикла всех организмов, размножающихся половым путем, и в своих основных чертах мейоз у N. crassa кажется типичным для мейоза в целом.
По мере того, как происходят вышеуказанные события, оболочка мицелия, которая окутывала аскогоний, развивается, поскольку стенка перитеция пропитывается меланином и чернеет. Зрелый перитеций имеет колбообразную структуру.
Зрелый перитеций может содержать до 300 асков, каждый из которых получен из идентичных диплоидных ядер слияния. Обычно в природе, когда перитеции созревают, аскоспоры довольно бурно выбрасываются в воздух. Эти аскоспоры устойчивы к теплу и в лабораторных условиях требуют нагревания при 60 °C в течение 30 минут, чтобы вызвать прорастание. Для нормальных штаммов весь половой цикл занимает от 10 до 15 дней. В зрелом аске, содержащем восемь аскоспор, пары соседних спор идентичны по генетической конституции, поскольку последнее деление является митотическим, и поскольку аскоспоры содержатся в асковом мешке, который удерживает их в определенном порядке, определяемом направлением ядерных сегрегаций во время мейоза. Поскольку четыре первичных продукта также расположены последовательно, можно отличить схему сегрегации первого деления генетических маркеров от схемы сегрегации второго деления.
То, что спаривание у N. crassa может происходить только между штаммами с разным типом спаривания, предполагает, что некоторая степень ауткроссинга благоприятствует естественному отбору. У гаплоидных многоклеточных грибов, таких как N. crassa , мейоз, происходящий на короткой диплоидной стадии, является одним из их самых сложных процессов. Гаплоидная многоклеточная вегетативная стадия, хотя физически намного больше диплоидной стадии, характерно имеет простую модульную конструкцию с небольшой дифференциацией. У N. crassa рецессивные мутации, влияющие на диплоидную стадию жизненного цикла, довольно часты в природных популяциях. [11] Эти мутации, будучи гомозиготными на диплоидной стадии, часто вызывают дефекты созревания спор или образование бесплодных плодовых тел с небольшим количеством аскоспор (половые споры). Большинство этих гомозиготных мутаций вызывают аномальный мейоз (например, нарушенное спаривание хромосом или нарушенная пахитена или диплотена). [12] Количество генов, влияющих на диплоидную стадию, оценивается по меньшей мере в 435 [11] (около 4% от общего числа 9730 генов). Таким образом, ауткроссинг, стимулируемый необходимостью объединения противоположных типов спаривания, вероятно, обеспечивает преимущество маскировки рецессивных мутаций, которые в противном случае были бы вредны для полового спорообразования (см. Комплементация (генетика) ).
Saccharomyces cerevisiae , пивные и пекарские дрожжи, относятся к типу Ascomycota . Во время вегетативного роста, который обычно происходит при изобилии питательных веществ, S. cerevisiae размножается митозом как гаплоидные или диплоидные клетки. Однако при голодании диплоидные клетки подвергаются мейозу, образуя гаплоидные споры. [13] Спаривание происходит, когда гаплоидные клетки противоположного типа спаривания, MATa и MATα, вступают в контакт. Рудерфер и др. [14] указали, что такие контакты часто встречаются между близкородственными дрожжевыми клетками по двум причинам. Первая заключается в том, что клетки противоположного типа спаривания присутствуют вместе в одном аске , мешочке, который содержит тетраду клеток, непосредственно произведенных одним мейозом, и эти клетки могут спариваться друг с другом. Вторая причина заключается в том, что гаплоидные клетки одного типа спаривания при делении часто производят клетки противоположного типа спаривания, с которыми они могут спариваться.
Katz Ezov et al. [15] представили доказательства того, что в природных популяциях S. cerevisiae преобладают клональное размножение и тип «самооплодотворения» (в форме внутритетрадного спаривания). Ruderfer et al. [14] проанализировали происхождение природных штаммов S. cerevisiae и пришли к выводу, что ауткроссинг происходит только примерно один раз на 50 000 клеточных делений. Таким образом, хотя S. cerevisiae является гетероталличным, похоже, что в природе спаривание чаще всего происходит между близкородственными дрожжевыми клетками. Относительная редкость в природе мейотических событий, которые являются результатом ауткроссинга, предполагает, что возможные долгосрочные преимущества ауткроссинга (например, генерация генетического разнообразия ) вряд ли будут достаточными для общего сохранения пола из поколения в поколение. [ необходима цитата ] Вместо этого краткосрочная выгода, такая как мейотическая рекомбинационная репарация повреждений ДНК, вызванных стрессовыми условиями, такими как голодание, может быть ключом к поддержанию пола у S. cerevisiae . [16] В качестве альтернативы, рецессивные вредные мутации накапливаются во время фазы диплоидного расширения и удаляются во время самоопыления: эта очистка была названа «обновлением генома» и обеспечивает преимущество пола, которое не зависит от ауткроссинга. [17] [18]
Candida albicans — диплоидный грибок, растущий как в виде дрожжей, так и в виде нити. C. albicans — наиболее распространенный грибковый патоген у людей. Он вызывает как изнурительные инфекции слизистых оболочек, так и потенциально опасные для жизни системные инфекции. C. albicans сохранил сложный, но в значительной степени скрытый аппарат спаривания. [19] Джонсон предположил, что стратегии спаривания могут позволить C. albicans выжить во враждебной среде млекопитающего-хозяина. Для спаривания C. albicans необходимо перейти от белых к непрозрачным клеткам. Последние более эффективны в спаривании и называются клетками, компетентными в спаривании C. albicans . Спаривание у C. albicans называется парасексуальным циклом , поскольку мейоз у C. albicans все еще не наблюдается. [20] [21]
Картина механизма типа спаривания начала вырисовываться из исследований конкретных грибов, таких как S. cerevisiae . Гены типа спаривания расположены в гомеобоксе и кодируют ферменты для производства феромонов и рецепторов феромонов . Таким образом, половое размножение зависит от феромонов, производимых из вариантных аллелей одного и того же гена . Поскольку половое размножение происходит в гаплоидных организмах, оно не может продолжаться до тех пор, пока подходящим партнером не будут предоставлены комплементарные гены посредством слияния клеток или гиф. Количество типов спаривания зависит от количества генов и количества аллелей для каждого.
В зависимости от вида половое размножение происходит посредством гамет или слияния гиф. Когда рецептор на одном гаплоиде обнаруживает феромон от комплементарного типа спаривания, он приближается к источнику посредством хемотропного роста или хемотаксического движения, если это гамета.
Некоторые виды в пределах Basidiomycota имеют самые сложные системы полового размножения, известные среди грибов . В целом для грибов существует два основных типа полового размножения: гомоталлизм , когда спаривание происходит в пределах одной особи, или, другими словами, каждая особь является самофертильной; и гетероталлизм , когда гифы из одной особи являются самостерильными и должны взаимодействовать с другой совместимой особью, чтобы спаривание произошло. Кроме того, совместимость спаривания в Basidiomycota далее подразделяется на два типа систем спаривания: тетраполярную и биполярную.
Гетероталлизм является наиболее распространенной системой спаривания в Basidiomycota и в Agaricomycotina (грибы, образующие грибы), около 90% видов являются гетероталличными. [22] Тетраполярный тип системы спаривания управляется двумя несцепленными локусами спаривания, называемыми A и B (у Agaricomycotina) или b и a (у Ustilaginomycotina и Pucciniomycotina ), оба из которых могут быть мультиаллельными. Сочетание аллелей A и B (или b и a ), называемое типом спаривания , определяет «специфичность» или половую идентичность особи, несущей их. Только особи с разными типами спаривания совместимы друг с другом и, следовательно, способны начать событие спаривания.
Успешное взаимодействие спаривания начинается с ядерного обмена и ядерной миграции, что приводит к образованию дикариотических гиф (содержащих отдельные гаплоидные ядра от обоих исходных родителей). Дикариотические гифы при соответствующих условиях окружающей среды дадут начало плодовому телу, которое содержит базидии — специализированные клетки, в которых происходит половая рекомбинация через кариогамию и мейоз. Это дикариотическое состояние у Basidiomycota часто поддерживается специализированной гифальной структурой, называемой зажимным соединением . Образование зажимных соединений регулируется обоими локусами спаривания.
Примерами тетраполярных организмов являются головни Ustilago maydis и U. longissima , [23] [24] и грибы Coprinopsis cinerea , Schizophyllum commune , Pleurotus djamor и Laccaria bicolor . [25]
Считается, что многоаллельные системы благоприятствуют ауткроссингу у Basidiomycota. Например, в случае U. maydis , который несет более 25 типов спаривания b , но только 2 типа спаривания a , у особи есть приблизительно 50% шанс встретить совместимого партнера в природе. [26] Однако такие виды, как C. cinerea , который имеет более 240 типов спаривания A и B каждый, и S. commune , который имеет более 339 типов спаривания A и 64 типа спаривания B , приближаются к 100% шансу встретить совместимого партнера в природе из-за огромного количества типов спаривания, генерируемых этими системами. [27]
Напротив, биполярные системы спаривания управляются одним аллельным локусом спаривания, называемым либо A , либо b . У Agaricomycotina биполярные организмы в основном имеют несколько аллелей для своего локуса спаривания A ; однако у Ustilaginomycotina и Pucciniomycotina локус спаривания b является преимущественно диаллельным, что снижает частоту ауткроссинга внутри этих видов . [23] Биполярность, вероятно, возникла одним из двух потенциальных путей:
Другие биполярные виды включают гриб белой гнили Phanerochaete chrysosporium [31] и съедобный гриб Pholiota nameko . [32]
В локусе B или a находятся связанные гены, которые кодируют феромоны и рецепторы феромонов . Феромоны представляют собой короткие полипептиды с консервативными остатками [27] , а рецепторы феромонов относятся к семейству рецепторов, связанных с G-белком, расположенных в клеточной мембране ; они ощущают различные молекулы (в данном случае феромоны) снаружи и активируют определенный путь внутри клетки. Взаимодействие феромона с рецептором происходит таким образом, что феромон от одной особи взаимодействует с рецептором от партнера и наоборот. Функции этих генов заключаются в регулировании взаимного ядерного обмена, миграции ядер у обоих партнеров и, в конечном итоге, в слиянии клеток зажима. [33] Первые охарактеризованные гены рецепторов феромонов спаривания были для U. maydis . [34]
Локус спаривания A или b содержит гены, которые кодируют два типа белков гомеодоменных факторов транскрипции, обычно тесно связанных, которые являются гомологами белков спаривания Saccharomyces cerevisiae MATα2 и MATa1. В Agaricomycotina два типа гомеодоменных факторов транскрипции называются HD1 и HD2; таким образом, белки HD1 и HD2 от одного человека взаимодействуют с белками HD2 и HD1 от другого партнера, соответственно, генерируя гетеродимеры, способные активировать регулируемый транскрипцией путь A , который включает образование зажимных клеток, координированное ядерное деление и септирование . [33]
Гомоталлические виды, вероятно, произошли от гетероталличных предков (Lin and Heitman 2007). У Basidiomycota гомоталлизм не очень распространен, а у Agaricomycotina, по оценкам, только 10% видов имеют гомоталличное поведение спаривания. [22] Например, один подвид эктомикоризного базидиомицета Sistotrema brinkmannii является гомоталличным, хотя другие подвиды сохранили свою способность к ауткроссингу. Кроме того, разновидность съедобного гриба Agaricus bisporus ( A. bisporus var. eurotetrasporus ) производит гаплоидные самофертильные базидиоспоры. Кроме того, у патогена человека C. neoformans, который, как известно, скрещивается в лабораторных условиях, оба типа спаривания обычно не распространены в естественных популяциях, причем тип спаривания α встречается гораздо чаще (>99%), что позволяет предположить, что гомоталлизм является наиболее распространенным способом полового размножения у ´ C. neoformans в природе. [35] Наконец, грибок, вызывающий «ведьмины метлы» в какао, Moniliophthora perniciosa , имеет преимущественно гомоталличную биологию, несмотря на наличие в его геноме генов, подобных типам спаривания A и B. [36]
Среди 250 известных видов аспергиллов около 36% имеют идентифицированное половое состояние [37] Среди тех видов Aspergillus , которые демонстрируют половой цикл, подавляющее большинство в природе являются гомоталличными (самооплодотворяющимися). [37] Самооплодотворение у гомоталличного гриба Aspergillus nidulans включает активацию тех же путей спаривания, которые характерны для пола у скрещивающихся видов, то есть самооплодотворение не обходит необходимые пути для скрещивания полов, а вместо этого требует активации этих путей в пределах одной особи. [38] Слияние гаплоидных ядер происходит в репродуктивных структурах, называемых клейстотециями, в которых диплоидная зигота претерпевает мейотические деления, чтобы дать гаплоидные аскоспоры.