Физиология растений, 2022, T. 69, № 5, стр. 462-471

ВВЕДЕНИЕ

До сих пор остаются мало изученными причины разной скорости роста, морфогенеза и минимальной продолжительности жизни даже для видов растений, растущих рядом в одинаковых условиях. Эти причины могут быть разными, но несомненно, что ведущими являются особенности геномов, причем, как показано на разных объектах, дело не только в наборе генов, но и в размере генома, который в значительной степени может определяться количеством некодирующей ДНК. Количество ДНК, которое содержится в нереплицированном гаплоидном наборе хромосом, является очень важным показателем и обозначается принятыми в мировой литературе терминами “C-value” [1] или “голоплоидное содержание ДНК” [2].

Варьирование голоплоидного содержания ДНК у покрытосеменных растений в широких пределах (от 0.065 пг [3] до 152.23 пг [4]) подтверждает явление, получившее название C-парадокс [5, 6]. Это явление заключается в том, что между голоплоидным содержанием ДНК и фенотипической сложностью вида или его таксономическим положением не прослеживается четкой корреляции. Однако в ряде исследований обнаружены корреляции между значением C-value и некоторыми морфологическими и физиологическими признаками [7]. Одним из первых исследований в этой области было изучение зависимости минимальной длительности жизненного цикла от содержания ДНК [8]. Минимальная длительность жизненного цикла – это минимальный период между прорастанием и формированием первых зрелых семян. Было показано, что есть определенные пороговые значения содержания ДНК, выше которых виды не могут быть однолетними. У эфемеров содержание ДНК еще ниже, чем у видов однолетних растений. Был предложен термин нуклеотипический эффект, который обозначает влияние ядра на фенотип независимо от информационной составляющей ДНК [8].

Впоследствии взаимосвязь между голоплоидным содержанием ДНК и минимальной длительностью жизненного цикла изучалась другими авторами на большем числе видов. Основные закономерности, выявленные Беннеттом, были подтверждены в работах [9–11].

В подтверждение нуклеотипического эффекта проведено большое количество исследований, в которых показана корреляция между C-value и рядом других признаков, например, размером замыкающих клеток устьиц и пыльцевых зерен [12], размером меристематических и закончивших рост клеток корня [13, 14], длительностью митотического цикла в корнях [15–19], скоростью роста корней проростков [20], размером и массой семян [21], жизненной формой [11, 22, 23], распространением видов по климатическим зонам [22, 24, 25].

В 2019 году вышел выпуск базы данных “Plant DNA C-values Database” of Kew Royal Botanical Gardens [26], в котором собрана информация о значениях C-value для 10770 видов покрытосеменных растений, что значительно превышает предыдущие выпуски этой базы по числу видов. Благодаря новому выпуску базы появилась возможность проследить более сложные взаимосвязи между голоплоидным содержанием ДНК и минимальной длительностью жизненного цикла.

До сих пор не было изучено влияние плоидности на основные закономерности, выявленные ранее для травянистых форм видов однодольных и двудольных [8–11, 22, 23].

В настоящей работе было изучено, как меняется одно из проявлений нуклеотипического эффекта – зависимость доли однолетних видов от голоплоидного содержания ДНК при разных вариантах плоидности, а также в зависимости от числа хромосом для травянистых форм однодольных и двудольных видов покрытосеменных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В статье проанализированы результаты, собранные в базе данных “Plant DNA C-values Database”of Kew Royal Botanical Gardens [26]. В ней представлена информация о голоплоидном содержании ДНК (C-value), числе хромосом, плоидности и продолжительности жизненного цикла у 10 770 видов покрытосеменных растений (4006 видов однодольных и 6633 видов двудольных), что по объему информации существенно превышает предыдущие выпуски этой базы. В данной статье был проведен анализ значений C-value, числа хромосом, количества ДНК в расчете на одну хромосому, а также рассчитаны доли однолетних видов. Всего было изучено 2362 вида однодольных и 2676 видов двудольных трав. Среди видов класса однодольных отдельно изучали виды порядков Asparagales и Liliales, среди которых нет однолетних видов.

Данные обработаны в программе MS Excel 2007 и представлены как средние значения с их стандартными ошибками.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Голоплоидное содержание ДНК (C-value), число хромосом и среднее количество ДНК в хромосоме при разной плоидности. В таблицах 1–3 собраны данные для 2362 видов однодольных и 2676 видов двудольных. Среди порядков Asparagales и Liliales класса однодольных нет однолетних видов, кроме того, виды этих порядков отличаются от остальных однодольных высокими значениями C-value [8, 9, 11, 19] и некоторыми признаками замедления развития (длительным прорастанием, длительным мейозом, поздними сроками зацветания). В связи с этим при изучении многолетних видов однодольных трав выделяли группы, включающие и исключающие виды порядков Asparagales и Liliales, а также отдельно были проанализированы виды указанных порядков.

С возрастанием плоидности от 2n до 8n повышение голоплоидного содержания ДНК было обнаружено не во всех группах трав, а в тех случаях, где его обнаружили, это повышение не было прямо пропорциональным (табл. 1), что подтверждает вывод о том, что голоплоидное содержание ДНК увеличивается в меньшей степени, чем плоидность [27].

Ранее было показано, что у многолетних видов трав голоплоидное содержание ДНК больше, чем у однолетних как для однодольных, так и для двудольных видов [8, 10, 11, 28]. Это является свидетельством в пользу того, что минимальная продолжительность жизненного цикла зависит от голоплоидного содержания ДНК, что впервые предположил Bennett [8]. Однако в указанных работах не было изучено влияние плоидности на выявленные закономерности. В данной работе было проанализировано, как изменяется голоплоидное содержание ДНК в соотношении между однолетними и многолетними видами в зависимости от плоидности (табл. 1). У двудольных при каждом изученном значении плоидности (2, 4, 6 и 8n) у многолетних видов среднее значение C-value было выше, чем у однолетних. У однодольных средние значения C-value у многолетних диплоидов выше, чем у однолетних. При увеличении плоидности возникает более сложная закономерность для разных групп многолетних однодольных видов. Так, для видов порядков Asparagales и Liliales с увеличением плоидности показано увеличение средних значений C-value, которые при этом существенно выше, чем у однолетних однодольных. Если же рассматривать виды многолетних однодольных без учета видов порядков Asparagales и Liliales, то оказывается, что средние значения C-value для этих видов с увеличением плоидности почти неизменны и при плоидности выше 4n даже ниже, чем у однолетних видов однодольных трав. Это говорит о сложном характере зависимости минимальной продолжительности жизненного цикла от голоплоидного содержания ДНК.

При изучении среднего числа хромосом в тех же группах трав было выявлено, что с увеличением плоидности от 2n до 8n только у однолетних однодольных число хромосом увеличивается кратно плоидности, то есть в 4 раза, тогда как у всех остальных групп трав – в три раза, то есть не кратно плоидности (табл. 2). Различия в числе хромосом между однолетними и многолетними видами не столь явно выражены, как это наблюдали для голоплоидного содержания ДНК. В связи с этим было изучено среднее количество ДНК в расчете на одну хромосому (табл. 3). С увеличением плоидности этот показатель уменьшается хоть и в разной степени для разных групп изученных видов трав.

Процент однолетников среди видов трав с разной плоидностью. Проценты однолетников от суммы однолетних и многолетних видов у однодольных и двудольных трав без учета плоидности и с разной плоидностью (2n, 4n, 6n и 8n) подсчитывали в группах как для всех однодольных, так и отдельно среди видов однодольных, исключая виды порядков Asparagales и Liliales, среди которых нет однолетних видов.

В указанных группах однодольных без учета плоидности проценты однолетних составляли соответственно 9.2 и 13.8%, у двудольных – 28.1%.

При всех изученных значениях плоидности процент однолетних видов выше у двудольных видов трав, чем у однодольных (табл. 4). Поскольку у двудольных в среднем ниже голоплоидное содержание ДНК, чем у однодольных, то больший процент однолетних видов у двудольных, чем у однодольных согласуется с выявленной ранее зависимостью длительности минимального жизненного цикла от C-value [8, 10, 11, 28].

Характер изменения процента однолетних видов с увеличением плоидности различается у однодольных и двудольных видов трав. Так у двудольных максимальный процент однолетних показан для диплоидов, и с увеличением плоидности он снижается. Для однодольных как с учетом видов порядков Asparagales и Liliales, так и без учета видов этих порядков максимальный процент однолетних видов показан для тетраплоидов. Среди октаплоидов процент однолетних видов минимален как для однодольных, так и двудольных видов трав. Это говорит о непростом характере зависимости минимальной длительности жизненного цикла от плоидности.

Зависимость процентов однолетних видов однодольных и двудольных трав от значений С-value при разной плоидности. При анализе зависимости процента однолетних видов от голоплоидного содержания ДНК у однодольных видов было показано четкое смещение максимального процента однолетних видов при увеличении плоидности (рис. 1а–в). У двудольных пика процента однолетних видов не выявлено, и с увеличением плоидности характер распределения процента однолетних видов у двудольных практически не меняется (рис. 1г–е).

Рис. 1.

Процент однолетних видов трав от суммы однолетних и многолетних видов однодольных (а–в) и двудольных (г–е) с разными значениями плоидности: 2n (а, г), 4n (б, д) и более 4n (в, е) в зависимости от голоплоидного содержания ДНК (C-value).

На графиках (рис. 1) не отмечены случаи, когда среди однолетних видов было обнаружено лишь по одному виду при данных значениях плоидности и C-value. Среди однодольных видов таких случаев было три, все из семейства Poaceae, два из которых с плоидностью 4n: Bromus secalinus L. (C-value 14 пг) и Aegilops triaristata Willd. (C-value 15.5 пг) и один вид с плоидностью 6n Aegilops triaristata Willd. (C-value 21.6 пг). Среди двудольных был обнаружен один случай, когда при данной плоидности и данном значении C-value всего один однолетний вид и нет многолетних видов. Таким видом оказался Vicia faba из семейства Fabaceae с плоидностью 4n и C-value 27.4 пг. Здесь важно отметить, что именно этот вид Vicia faba с плоидностью 4n является пограничным в том смысле, что среди всех двудольных однолетних видов (независимо от плоидности) нет видов с большим голоплоидным содержанием ДНК, чем у этого вида. Кроме того, значение C-value для Vicia faba с большим отрывом превышает предыдущие значения C-value для других однолетних видов двудольных: 13.3 пг для вида Vicia faba с плоидностью 2n, 8.3 пг для вида с плоидностью 4n Senecio velleioides из семейства Asteraceae и 11.6 пг для вида с плоидностью 6n Ranunculus muricatus из семейства Ranunculaceae. Таким образом, вид Vicia faba с плоидностью 4n является в некотором смысле уникальным и выбивается из общей картины распределения процента однолетних видов среди двудольных в зависимости от голоплоидного содержания ДНК независимо от плоидности.

Важно отметить, что максимальные значения C-value, выше которых нет однолетних видов, у однодольных с увеличением плоидности увеличиваются и составляют 11.6, 17 и 26 пг при плоидности 2, 4 и более 4n соответственно (рис. 1а–в). У двудольных нет такого увеличения порога однолетности с увеличением плоидности (рис. 1г–е), если принимать во внимание исключительность вида Vicia faba с плоидностью 4n, для которого значение C-value составляет 27.4 пг, и которое не отмечено на графике.

Таким образом, с увеличением плоидности у однодольных больше однолетников при более высоких значениях C-value, что говорит об ослабевании нуклеотипического эффекта. Однако интересно и непонятно, почему у двудольных такой эффект отсутствует, и границы значений С-value, при которых есть однолетники не сдвигаются при полиплоидии.

Ранее на меньшем числе видов и без учета плоидности было показано, что доля однолетних видов максимальна не при самых маленьких значениях C-value, а с некоторым сдвигом от начала шкалы, отражающей все возможные значения C-value для изученных видов [28]. В нашей работе это подтверждается, и выявлены более сложные закономерности. Также в работе [28] были продемонстрированы пределы однолетности – значения C-value, выше которых не встречается однолетних видов. Эти значения совпадают с выявленными в нашей работе с той оговоркой, что, как упоминалось выше, вид Vicia faba с плоидностью 4n, скорее, нужно считать исключительным. В этой связи очень интересным фактом, отмеченным ранее [11, 22], является то, что крупные многолетние формы растений (деревья среди двудольных и пальмы среди однодольных) в среднем обладают меньшим размером голоплоидного генома, чем соответствующие каждому классу однолетние виды трав. Таким образом, показанная для травянистых форм корреляция голоплоидного содержания ДНК и минимальной продолжительности жизненного цикла не работает для крупных многолетних жизненных форм растений, что является предметом для дальнейшего изучения.

Зависимость отношения числа однолетников к числу многолетников от С-value при разном числе хромосом. С увеличением числа хромосом доля однолетников уменьшается, причем значительно сильнее у однодольных, чем двудольных (табл. 5). При этом доля однолетников уменьшается как при увеличении числа хромосом у диплоидов, так и при увеличении плоидности у всех видов однодольных и двудольных, единственное исключение составляет переход от плоидности 2n к 4n у однодольных, где отмечено повышение доли однолетних видов (табл. 4).

Как у однодольных, так и у двудольных с числом хромосом меньше 15 пик максимума отношения числа однолетних к числу многолетних видов отмечен при 6–7 пг, но у двудольных он менее выражен (рис. 2а, 3а).

Рис. 2.

Отношение числа однолетних к числу многолетних диплоидных видов однодольных трав, исключая виды порядков Asparagales и Liliales, с числом хромосом меньше 15 (а) и от 15 до 28 включительно (б) в зависимости от голоплоидного содержания ДНК (C‑value). Максимальное значение C-value многолетников 30 пг (для видов с числом хромосом меньше 15), 39.1 пг (для видов с числом хромосом от 15 до 28) и 34.5 пг (для видов с числом хромосом больше 28).

У видов с числом хромосом от 15 до 28 максимальная доля однолетников сдвигается в сторону увеличения значений C-value у однодольных до 8–9 пг (рис. 2б), у двудольных до 7–8 пг (рис. 3б). Среди диплоидных видов однодольных трав с числом хромосом больше 28 в анализируемой нами Базе данных был обнаружен лишь один однолетний вид семейства Poaceae Zizania aquatica. В группе двудольных диплоидных видов с числом хромосом больше 28 были обнаружены однолетние виды, однако голоплоидное содержание ДНК этих видов не превышало значения 5–6 пг (рис. 3в).

Рис. 3.

Отношение числа однолетних к числу многолетних диплоидных видов двудольных трав с числом хромосом меньше 15 (а), от 15 до 28 включительно (б) и больше 28 (в) в зависимости от голоплоидного содержания ДНК (C-value). Максимальное значение C-value многолетников 28.65 пг (для видов с числом хромосом меньше 15), 15.97 пг (для видов с числом хромосом от 15 до 28) и 17.85 пг (для видов с числом хромосом больше 28).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До сих пор нет ответа на вопрос о том, почему одни виды заканчивают жизненный цикл за сезон или даже часть его, а другим необходимо для этого несколько лет. В данной статье анализировалось, в какой мере однолетность определяется важными особенностями генома – голоплоидным содержанием ДНК, числом хромосом и плоидностью.

Средние значения С-value у многолетников выше, чем у однолетников, на что первым обратил внимание Bennett [8], и потом было подтверждено [10, 11, 28]. Однако эта зависимость достаточно сложная, и поэтому максимальное значение отношения между числом однолетников и многолетников может наблюдаться при разных значениях С-value у однодольных и двудольных, и доля однолетних видов может по-разному изменяться с повышением С-value [28]. Эту неоднозначность изменения доли однолетников с повышением С-value демонстрируют и приведенные данные (рис. 2, 3) о том, как это отношение меняется у диплоидов с разным числом хромосом. Остается неясным, почему эти зависимости по-разному проявляются у однодольных и двудольных. Для решения этого вопроса представляется перспективным изучить обсужденные в этой статье зависимости с привлечением материала из отдельных семейств покрытосеменных.

Авторы выражают благодарность Н. В. Жуковской за обсуждение результатов в ходе проделанной работы, а также группе исследователей из Ботанического сада Кью за создание Базы данных [26], на основании которой была проделана настоящая работа.

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (тема № 121040800153-1).

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей и животных в качестве объектов исследования. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.