Вечное движение (О жизни и о себе) - Николай Дубинин

Явление полиплоидии состоит в том, что у полиплоидов число хромосом в клетках оказывается кратно увеличено в сравнении с исходным. Например, дикие пшеницы имеют в ядрах своих клеток по 14 хромосом, культурные виды твердых пшениц содержат по 28 хромосом (тетраплоиды, тетра четыре), мягкие пшеницы - по 42 хромосомы (гексаплоиды, гекса шесть).

Создавалось впечатление, что факт кратного увеличения числа хромосом в клетках внешне очень прост. Но чтобы это осуществилось, должны быть включены в действие очень сложные законы размножения клетки и законы взаимодействия ядра и цитоплазмы. При удвоении числа хромосом такие полиплоиды получили название тетраплоидов. Причина этого наименования лежит в том, что они, имея удвоенное общее число хромосом, содержат четыре основных исходных набора хромосом. Это вызвано тем, что любой исходный, обычный набор хромосом является двойственным (диплоидным).

Двойственность набора хромосом обусловлена происхождением: половина его в виде одного простого (гаплоидного) набора приходит от матери, а другая, такая же половина приходит от отца. Во время образования половых клеток имеет место работа очень сложного редукционного деления, который превращает диплоидный набор в гаплоидный. Это достигается тем, что хромосомы в каждой паре разделяются, и в половые клетки попадает простой гаплоидный набор. У диких пшениц в пыльцу и в яйцеклетки из каждой из семи пар хромосом попадает по одному гомологу. В результате каждая половая клетка имеет семь индивидуальных хромосом, то есть она содержит гаплоидный набор хромосом. После слияния яйцеклетки и спермия образуется зигота, то есть та исходная клетка, из которой развивается весь организм. Очевидно, что при образовании зиготы в процессе оплодотворения встречаются клетки, каждая из которых несет гаплоидный набор хромосом. В результате организм имеет удвоенное (парное) число хромосом, которое получило название диплоидного набора. В нашем примере у диких пшениц оно будет равно 14 хромосомам.

Но в природе все подвержено изменениям. Бывают и такие случаи, что при созревании половых клеток нарушаются процессы редукционного деления ядра и весь диплоидный набор хромосом попадает в одну клетку. Потомство, развивающееся из такой клетки, испытавшей на себе процесс нерасхождения хромосом, приобретает измененное число хромосом. Очевидно, что слияние диплоидного (результат нерасхождения) и гаплоидного (результат нормального редукционного деления) наборов поведет к тому, что в такой зиготе каждая хромосома будет представлена уже в тройном числе, и растение, которое развивается из такой зиготы, получает название триплоида. В том же случае, если встретятся две половые клетки с диплоидными наборами, то возникнет растение с учетверенным набором хромосом, то есть тетраплоид.

Может показаться, что наблюдения за числом хромосом имеют сугубо теоретический характер и представляют интерес только для узкого специалиста. На самом же деле это далеко не так. Изучение внутриклеточных явлений пролило свет на важнейшие явления формообразования у растений.

Обширные исследования генетиков и цитологов показали, что человек хотя и бессознательно, то есть не понимая механизма деления клетки, тем не менее широко использовал явление нерасхождения хромосом при создании различных культурных растений. Полиплоидами являются пшеницы, картофель, хлопчатник, многие плодовые культуры и т. д. Стало очевидным, что явление кратного увеличения числа хромосом в клетках растений (полиплоидия) служит могучим орудием изменения природы растений. Оно сыграло важнейшую роль в явлениях естественной эволюции в природе, ибо появление новых видов растений во многих случаях было связано с полиплоидией. Это коснулось и создания человеком культурных растений.

Явления нерасхождения хромосом были широко зарегистрированы в природе, где они возникали под влиянием неучитываемых условий. Такие появляющиеся под влиянием каких-то неизвестных причин нарушения деления ядра можно было использовать в опыте и в практике. В 1927-1928 годах в Ленинграде Георгий Дмитриевич Карпеченко проводил свои знаменитые опыты по скрещиванию редьки и капусты. Гибриды этих растений были бесплодны, так как имели два разных гаплоидных набора хромосом. Карпеченко удалось, используя случайно возникавшие нередуцируемые половые клетки, получить зиготы, в которых в диплоидном числе были объединены и ядро редьки и ядро капусты. Как по мановению волшебной палочки, такие тетраплоидные гибриды стали плодовитыми. Эти опыты заложили основу важнейшего современного направления по скрещиванию видов.

Вполне понятно, что в течение трех первых десятилетий нашего века многие ученые бились над проблемой управления явлением нерасхождения хромосом, чтобы разработать метод, который позволил бы по желанию в экспериментах получить нужные полиплоидные формы растений. Первый шаг в решении этой важнейшей проблемы еще в самом начале текущего века был сделан в Московском университете в опытах Ивана Ивановича Герасимова, действовавшего температурными шоками и некоторыми ядами на клетки водорослей спирогира. Ему экспериментально удалось вызывать нерасхождение хромосом. После длительных поисков тех условий, в которых экспериментатор мог бы безотказно вызывать явление полиплоидии, в 1937 году Айвери и Блексли показали, что полиплоидию можно искусственно вызывать с помощью химии, а именно воздействуя алкалоидом колхицином на делящуюся клетку. Деление ядра клетки связано с образованием внутри ее особой временной структуры, так называемого веретена деления. По нитям этого веретена хромосомы скользят к разным полюсам деления. Оказалось, что колхицин разрушает веретено деления, то есть основной элемент в механизме нормального расхождения хромосом в дочерние ядра. В результате возникает картина нерасхождения хромосом. Разделившиеся хромосомы, вместо того чтобы попасть в две дочерние клетки, все вместе, то есть в двойном количестве, остаются в одной клетке, обработанной колхицином.

Итак, в 1942 году основы экспериментального получения полиплоидов были ясны. Какое же сельскохозяйственное растение следовало вовлечь в опыты по получению полиплоидов? Где можно было ожидать наибольший производственный эффект при такой работе? Выяснилось, что усилия надо направить на получение полиплоидов у сахарной свеклы. Это культурное растение является у нас в стране источником получения сахара, оно высевается на громадных площадях, и конечно же любое повышение выхода сахара с гектара будет иметь величайшее производственное значение. В литературе имелись указания, что у сахарной свеклы особо перспективными являются растения с тройным набором хромосом, так называемые триплоиды. Выходило, что перед сельским хозяйством нашей страны надо было ставить вопрос о переводе использования обычной сахарной свеклы на триплоидный уровень с учетом гетерозисности гибридов.

Новые подходы к селекции сахарной свеклы диктовались также тем, что ко времени начала войны стали очевидны большие трудности, которые встали перед обычной селекцией этого ценнейшего растения. Нашими выдающимися селекционерами, в первую очередь А. В. Мазлумовым, были созданы замечательные сорта этой культуры. Вместе с тем стало очевидно, что дальнейшее улучшение сахарной свеклы обычными методами встречает серьезные затруднения. Увеличение сахаристости в корнях, выражаемое даже в долях процента, шло с трудом. Надо было искать новые пути, и все указывало, что экспериментальная полиплоидия у сахарной свеклы такие новые пути действительно сможет открыть.

Решение этой задачи надо было нацелить на получение триплоидных товарных семян сахарной свеклы. Такие семена регулярно и в нужных количествах можно получать только при скрещивании тетраплоидных линий на диплоидные линии обычной свеклы. Встала задача решить первый цикл в этом процессе, а именно в экспериментах с помощью колхицина получить новые тетраплоидные формы сахарной свеклы.

На предоставленном участке земли при проведении опытов пришлось выполнять все обязанности, от обработки почвы до микроскопического анализа пыльцы. Когда однолетние корешки, посаженные в почву, дали побеги, их точки роста обработали раствором колхицина. Можно было рассчитывать, что если на такой ранней стадии какое-то количество обычных, диплоидных клеток под влиянием колхицина превратится в тетраплоидные клетки, то они могут послужить основой для развития целого побега, обладающего тетраплоидной тканью.

Растения сахарной свеклы характеризуются способностью так называемой факультативной перекрестной опыляемости. Яйцеклетки их цветков, как правило, опыляются перекрестно, то есть пыльцой с другого растения. Тетраплоидные ткани отличаются по размерам листьев, более темно-зеленой окраской и по другим признакам. Если бы колхицин вызвал образование тетраплоидной ткани у разных растений, тогда можно было бы, уничтожив обычные, диплоидные побеги, заставить тетраплоидную пыльцу опылить тетраплоидную яйцеклетку.