Изменчивость прокариот

Генетика прокариот изучает закономерности наследственности и изменчивости организмов, относящихся к этому обширному и многообразному царству.

Наследственность прокариот обеспечивает сохранение и точное воспроизведение признаков данного вида. Изменчивость определяет появление различий в признаках между особями одного вида бактерий, что в конечном итоге, в процессе эволюции, приводит к возникновению разнообразных форм жизни.

Для прокариот, как и для эукариот, характерны два типа изменчивости: генотипическая (наследственная) и фенотипическая (модификационная). Фенотипические изменения признаков получили название модификаций.

При работе с микроорганизмами в качестве объекта используется не особь, а популяция. Популяция прокариот – это множество клеток (особей) одного вида, обитающие в ряду поколений в определенных условиях, где нет преград для свободного скрещивания. Микроорганизмы имеют общую генетическую программу и свободно обмениваются наследственной информацией.

Для популяции существуют такие показатели:

Плотность – число особей на единицу V или S;

Прирост – число новых особей, возникших в единицу времени;

Гибель – число особей, гибнущих в единицу времени.

Изменение численности микроорганизмов выражают кривыми выживания или кривыми размножения. Клон – культура микроорганизмов, состоящая из наследственных однородных клеток, возникающих в результате бесполового размножения. Клон, сохраняющий специфические черты в течение длительного времени – штамм.

Из множества признаков, используемых для учета изменчивости микроорганизмов – морфология, структурно-химические особенности, культуральные антигенные – наиболее значимы стабильные изменения, наследуемые в потомстве клеток. Различают:

Наследственные мутации;

Ненаследственные модификации;

Наследуемые длительные фенотипические модификации.

Фенотипическая изменчивость. Фенотипическая изменчивость возникает как ответная реакция организма на изменение условий окружающей среды и проявляется у большинства особей в популяции. Она не является наследственной и не приводит к изменению генетического аппарата бактерий. Фенотипическая изменчивость носит адаптационный характер. Модификации бактерий проявляются лишь временно, в период непосредственного действия фактора, и исчезают при его устранении. Например, широко распространённые в почве бактерии рода Azotobacter активно фиксируют атмосферный азот в условиях недостатка его в почве и резко снижают азотфиксацию при внесении в почву минеральных азотных удобрений. Недостаток кальция в среде вызывает слизистый рост бацилл сибирской язвы, но стоит добавить кальций – и слизеобразование прекращается.

Возникающие модификации бактерий могут быть относительно стабильными или, наоборот, очень лабильными. Иногда они могут сохраняться в течение нескольких поколений. Так, при длительном воздействии на культуру бактерий пенициллина или ультрафиолетового облучения происходит образование L-форм бактерий, которые сохраняются в течение нескольких поколений.

В природе фенотипические изменения часто повторяются в жизни прокариот. Нередко они носят циклический характер, связанный с сезонными климатическими факторами. Например, в почвах южных районов в сезон знойного засушливого лета большинство бактерий приобретают слизистый матрикс, предохраняющий клетку от высыхания. Роль фенотипической изменчивости сводится к обеспечению выживаемости микробной популяции в изменившихся условиях среды.

Различают ненаследуемые модификации и наследуемые длительные фенотипические модификации. Последние определяются включением стабильных метаболических циклов.

Генотипическая изменчивость. Генотипическая изменчивость прокариот проявляется в виде мутаций и рекомбинаций и осуществляется в результате изменений в первичной структуре генетического аппарата.

Генотипические изменения возникают в природе как редкие события в жизни бактериальной популяции. Они не носят направленного характера и не являются адекватными изменению условий среды.

Мутация (от лат. mutatio – изменение) – термин, употребляемый в двух смыслах: возникновение изменения в структуре генетического материала и само изменение.

Анализ возникновения мутаций и накопление мутантов в бактериальных культурах был впервые проведен в 1943 г. С. Лурия и М. Дельбрюком. Их работы заложили основы генетики бактерий.

Мутации – стойкие наследственные изменения в структуре генетического аппарата. Механизм мутаций заключается в выпадении, вставке или замене одной пары нуклеотидов либо группы нуклеотидов в молекуле ДНК, а также в изменении последовательности их расположения. Мутационной изменчивости подвержены такие признаки бактерий, как ауксотрофность по аминокислотам, пуринам, пиримидинам, витаминам и другим компонентам питательного субстрата, чувствительность, или резестентность (устойчивость), к антибиотикам, ферментативная активность и т.д.

Если мутантная бактериальная клетка оказывается лучше приспособлена к условиям окружающей среды, чем исходные особи, то потомство ее при размножении культуры будет занимать все большую часть популяции и постепенно вытеснит исходные клетки. В результате произойдет изменение генотипического состава и соответственно свойств данной культуры микроорганизма.

По происхождению различают спонтанные и индуцированные мутации.

Спонтанные мутации возникают в популяциях прокариот без видимого внешнего воздействия и проявляются в самопроизвольном изменении их генома. Они носят случайный, ненаправленный характер и возникают до воздействия какого-либо селекционирующего фактора. Распространенными типами спонтанных мутаций являются устойчивость бактерий к фагам, ауксотрофность, антибиотикорезестентность. Одной из причин возникновения спонтанных мутаций могут быть ошибки в работе
ДНК-полимеразы во время процесса репликации ДНК, например включение в синтезируемую дочернюю цепь нуклеотида, некомплементарного нуклеотиду родительской цепи (вместо аденина, комплементарного тимину, включается гуанин или цитозин). В природе спонтанные мутации служат основным источником естественной изменчивости бактерий, именно они и лежат в основе эволюционного процесса прокариот.

Индуцированные мутации вызываются действием какого-либо фактора – химического соединения или различного рода излучениями (рентгеновские, ультрафиолетовые и гамма-лучи). Впервые возможность индуцирования мутаций показали в 1925 г. Г.С. Филиппов и Надсон. Они обнаружили мутагенное действие рентгеновских лучей на клетки дрожжей.

Частота индуцированных мутаций значительно выше частоты спонтанных и зависит от природы мутагена и его дозы.

По количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК выделяют генные и хромосомные мутации.

Генные мутации затрагивают только один ген и чаще всего являются точковыми. Последние представляют собой выпадение, вставку или замену одной пары нуклеотидов.

Хромосомные мутации распространяются на несколько генов. Они носят характер крупных перестроек в отдельных фрагментах ДНК и проявляются в виде делеции – выпадении меньшего или большего числа нуклеотидов, инверсии – повороте участка ДНК на 180˚, дупликации – повторении какого-нибудь фрагмента ДНК. Нередко хромосомные мутации приводят к дезинтеграции всех систем бактериальной клетки, что сопровождается летальным эффектом.

Факторы, вызывающие мутации, получили название мутагенов. Наиболее доступным мутагеном является ультрафиолетовое облучение бактериальных культур бактерицидными лампами с длиной волны около 260 нм. При этом механизм повреждения заключается в образовании димера тимина в молекуле ДНК, что приводит к блокированию нормального процесса репликации. В зависимости от дозы ультрафиолетовое облучение может оказать на бактериальные клетки мутагенный или даже летальный эффект.

При рентгеновском и гамма-облучении в ДНК бактерии возникают различные повреждения – разрывы цепей и химические изменения нуклеотидов. Эффект повреждения прямо пропорционален дозе облучения.

Исключительной эффективностью характеризуются некоторые химические мутагены. Наиболее сильными супермутагенами являются нитрозосоединения. Относительно безопасным мутагеном считается азотистая кислота. В растворе при рН=4,4 она активна по отношению ко всем группам микроорганизмов от вирусов до бактерий и грибов. Сильными мутагенами являются акридиновые красители, приводящие к мутациям типа вставок и выпадения нуклеотидов.

Эксперименты по индуцированному мутагенезу бактерий используются для решения общебиологических проблем мутагенеза, а также прикладных задач промышленной и медицинской микробиологии.