Раздельнополые организмы: гетероталлизм у грибов.

Введение

Половые признаки, локализованные в разных организмах.

У гетеротальных видов половые признаки локализованы в разных организмах. Этот термин используется, в частности, для различения гетеротальных грибов, которым требуются два совместимых партнера для образования половых спор, от гомотальных, способных к половому размножению из одного организма. В гетеротальных грибах два разных организма вносят вклад в формирование зиготы. Примеры гетеротализма включают Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus fumigatus, Aspergillus flavus, Penicillium marneffei и Neurospora crassa. Жизненный цикл N. crassa описан более подробно, поскольку аналогичные циклы встречаются и у других гетеротальных грибов.

Жизненный цикл Saccharomyces cerevisiae

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae являются гетеротальными. Это означает, что каждая клетка дрожжей имеет определенный тип спаривания и может спариваться только с клетками другого типа спаривания. Во время вегетативного роста, который обычно происходит при достаточном количестве питательных веществ, S. cerevisiae размножается путем митоза как гаплоидные, так и диплоидные клетки. Однако, при недостатке питательных веществ диплоидные клетки подвергаются мейозу с образованием гаплоидных спор. Спаривание происходит, когда гаплоидные клетки противоположных типов спаривания, MATa и MATα, вступают в контакт. Рудерфер и соавторы отметили, что такие контакты часто встречаются между близкородственными клетками дрожжей по двум причинам. Во-первых, клетки противоположных типов спаривания присутствуют вместе в одном аскусе – мешке, содержащем тетраду клеток, непосредственно образованную в результате одного мейоза, и эти клетки могут спариваться друг с другом. Во-вторых, гаплоидные клетки одного типа спаривания при делении часто производят клетки противоположного типа спаривания, с которыми они могут спариваться. Кац Эзов и соавторы представили данные о том, что в естественных популяциях S. cerevisiae преобладают клональное размножение и тип "самооплодотворения" (в форме спаривания внутри тетрады). Рудерфер и соавторы.

Жизненный цикл Aspergillus fumigatus

Aspergillus fumigatus – это гетеротальный гриб. Он является одним из наиболее часто встречающихся видов Aspergillus, вызывающих заболевания у людей с иммунодефицитом. A. fumigatus широко распространен в природе и обычно обнаруживается в почве и разлагающемся органическом веществе, таком как компостные кучи, где он играет важную роль в круговороте углерода и азота. Колонии гриба производят из конидиофоров тысячи крошечных серо-зеленых конидий (2–3 мкм), которые легко распространяются по воздуху. A. fumigatus обладает полностью функциональным половым репродуктивным циклом, приводящим к образованию клистотеций и аскоспор. Несмотря на то, что A. fumigatus встречается в регионах с сильно различающимся климатом и условиями окружающей среды, он демонстрирует низкую генетическую изменчивость и отсутствие генетической дифференциации популяций в мировом масштабе. Таким образом, способность к гетеротальному половому размножению сохраняется, даже несмотря на небольшое генетическое разнообразие. Как и в случае с S. cerevisiae, описанным выше, кратковременная выгода от мейоза может быть ключевым фактором адаптивного поддержания полового размножения у этого вида.

Жизненный цикл Aspergillus flavus

A. flavus является основным продуцентом канцерогенных афлатоксинов в сельскохозяйственных культурах по всему миру. Он также является оппортунистическим патогеном для человека и животных, вызывая аспергиллез у людей с ослабленным иммунитетом. В 2009 году было обнаружено, что половой процесс у этого гетеротального гриба происходит при совместном культивировании штаммов с противоположным типом спаривания в подходящих условиях. Половой процесс создает генетическое разнообразие в кластере генов афлатоксина у A. flavus, что позволяет предположить, что выработка генетических вариаций может способствовать поддержанию гетероталлизма у этого вида.

Жизненный цикл Talaromyces marneffei

Хенк и др. показали, что гены, необходимые для мейоза, присутствуют в *T. marneffei*, и что в этом виде происходит спаривание и генетическая рекомбинация. Азотное голодание, по-видимому, необходимо для экспрессии генов, вовлеченных в половое развитие. Протоперитеций состоит из аскогониума – скрученной многоклеточной гифы, заключенной в узел, напоминающий агрегат гиф. От кончика аскогониума отходит разветвленная система тонких гиф, называемая трихогиной, которая простирается за пределы окружающих гиф в воздух. Половой цикл инициируется (то есть происходит оплодотворение), когда клетка (обычно конидия) противоположного типа спаривания контактирует с частью трихогины (см. рисунок, верхняя часть §). После такого контакта может произойти слияние клеток, в результате чего одно или несколько ядер оплодотворяющей клетки мигрируют вниз по трихогине в аскогоний. Поскольку оба штамма ‘A’ и ‘a’ имеют одинаковые половые структуры, ни один из них нельзя рассматривать как исключительно мужской или женский. Однако, в качестве реципиента, протоперитеций как штамма ‘A’, так и штамма ‘a’ можно рассматривать как женскую структуру, а оплодотворяющую конидию – как мужского участника. Последующие этапы после слияния гаплоидных клеток ‘A’ и ‘a’ были описаны Финчамом и Дэй, а также Вагнером и Митчеллом. После слияния клеток дальнейшее слияние их ядер задерживается. Вместо этого ядро из оплодотворяющей клетки и ядро из аскогониума объединяются и начинают делиться синхронно. Продукты этих ядерных делений (все еще в парах разных типов спаривания, то есть ‘A’ / ‘a’) мигрируют в многочисленные аскогенные гифы, которые затем начинают расти из аскогониума. Каждая из этих аскогенных гиф изгибается, образуя крючок (или крузье) на своем конце, и пара гаплоидных ядер ‘A’ и ‘a’ внутри крузье делится синхронно. Затем формируются перегородки, разделяющие крузье на три клетки. Центральная клетка в изгибе крючка содержит одно ядро ‘A’ и одно ядро ‘a’ (см. рисунок, верхняя часть §). Эта двухъядерная клетка инициирует формирование аска и называется “аскальной начальной” клеткой. Затем две одноядерные клетки по обе стороны от первой образующей аскус клетки сливаются друг с другом, образуя двухъядерную клетку, которая может расти и формировать дальнейшее крузье, которое затем может сформировать свою собственную аскальную начальную клетку. Этот процесс может повторяться несколько раз. После формирования аскальной начальной клетки ядра ‘A’ и ‘a’ сливаются друг с другом, образуя диплоидное ядро (см. рисунок, верхняя часть §). Это ядро – единственное диплоидное ядро во всем жизненном цикле *N. crassa*. Диплоидное ядро содержит 14 хромосом, образованных из двух слившихся гаплоидных ядер, каждое из которых имело по 7 хромосом. Образование диплоидного ядра немедленно сопровождается мейозом. Два последовательных деления мейоза приводят к четырем гаплоидным ядрам: два типа спаривания ‘A’ и два типа спаривания ‘a’. Еще одно митотическое деление приводит к четырем ядрам ‘A’ и четырем ядрам ‘a’ в каждом аскусе. Мейоз является важной частью жизненного цикла всех половозрелых организмов, и в своих основных чертах мейоз у *N. crassa* типичен для мейоза в целом. Параллельно с этими событиями мицелиальная оболочка, окружавшая аскогоний, развивается в стенку перитеция, пропитывается меланином и чернеет. Зрелый перитеций имеет форму колбы. Зрелый перитеций может содержать до 300 аскусов, каждый из которых произошел от идентичных диплоидных ядер. Обычно, в природе, когда перитеции созревают, аскоспоры выбрасываются в воздух довольно интенсивно. Эти аскоспоры устойчивы к нагреванию и в лаборатории для стимуляции прорастания требуется нагревание при 60 °C в течение 30 минут. Для нормальных штаммов весь половой цикл занимает от 10 до 15 дней. В зрелом аскусе, содержащем 8 аскоспор, пары смежных спор идентичны по генетической конституции, поскольку последнее деление – митотическое, и поскольку аскоспоры содержатся в аскусном мешке, который удерживает их в определенном порядке, определяемом направлением разделения ядер во время мейоза. Поскольку четыре первичных продукта также расположены последовательно, схему генетических маркеров от разделения первого деления можно отличить от схемы маркеров от разделения второго деления.

Henk et al. showed that the genes required for meiosis are present in T. marneffei, and that mating and genetic recombination occur in this species. Henk et al. Nitrogen starvation appears to be necessary for expression of genes involved in sexual development. The protoperithecium consists of an ascogonium, a coiled multicellular hypha that is enclosed in a knot like aggregation of hyphae. A branched system of slender hyphae, called the trichogyne, extends from the tip of the ascogonium projecting beyond the sheathing hyphae into the air. The sexual cycle is initiated (i. e. fertilization occurs) when a cell (usually a conidium) of opposite mating type contacts a part of the trichogyne (see figure, top of §). Such contact can be followed by cell fusion leading to one or more nuclei from the fertilizing cell migrating down the trichogyne into the ascogonium. Since both ‘A’ and ‘a’ strains have the same sexual structures, neither strain can be regarded as exclusively male or female. However, as a recipient, the protoperithecium of both the ‘A’ and ‘a’ strains can be thought of as the female structure, and the fertilizing conidium can be thought of as the male participant. The subsequent steps following fusion of ‘A’ and ‘a’ haploid cells, have been outlined by Fincham and Day, and by Wagner and Mitchell. After fusion of the cells, the further fusion of their nuclei is delayed. Instead, a nucleus from the fertilizing cell and a nucleus from the ascogonium become associated and begin to divide synchronously. The products of these nuclear divisions (still in pairs of unlike mating type, i. e. ‘A’ / ‘a’) migrate into numerous ascogenous hyphae, which then begin to grow out of the ascogonium. Each of these ascogenous hypha bends to form a hook (or crozier) at its tip and the ‘A’ and ‘a’ pair of haploid nuclei within the crozier divide synchronously. Next, septa form to divide the crozier into three cells. The central cell in the curve of the hook contains one ‘A’ and one ‘a’ nucleus (see figure, top of §). This binuclear cell initiates ascus formation and is called an “ascus initial” cell. Next the two uninucleate cells on either side of the first ascus forming cell fuse with each other to form a binucleate cell that can grow to form a further crozier that can then form its own ascus initial cell. This process can then be repeated multiple times. After formation of the ascus initial cell, the ‘A’ and ‘a’ nucleus fuse with each other to form a diploid nucleus (see figure, top of §). This nucleus is the only diploid nucleus in the entire life cycle of N. crassa. The diploid nucleus has 14 chromosomes formed from the two fused haploid nuclei that had 7 chromosomes each. Formation of the diploid nucleus is immediately followed by meiosis. The two sequential divisions of meiosis lead to four haploid nuclei, two of the ‘A’ mating type and two of the ‘a’ mating type. One further mitotic division leads to four ‘A’ and four ‘a’ nuclei in each ascus. Meiosis is an essential part of the life cycle of all sexually reproducing organisms, and in its main features, meiosis in N. crassa seems typical of meiosis generally. As the above events are occurring, the mycelial sheath that had enveloped the ascogonium develops as the wall of the perithecium, becomes impregnated with melanin, and blackens. The mature perithecium has a flask shaped structure. A mature perithecium may contain as many as 300 asci, each derived from identical fusion diploid nuclei. Ordinarily, in nature, when the perithecia mature the ascospores are ejected rather violently into the air. These ascospores are heat resistant and, in the lab, require heating at 60 °C for 30 minutes to induce germination. For normal strains, the entire sexual cycle takes 10 to 15 days. In a mature ascus containing 8 ascospores, pairs of adjacent spores are identical in genetic constitution, since the last division is mitotic, and since the ascospores are contained in the ascus sac that holds them in a definite order determined by the direction of nuclear segregations during meiosis. Since the four primary products are also arranged in sequence, the pattern of genetic markers from a first division segregation can be distinguished from the markers from a second division segregation pattern.