СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИНВЕРСИИ ЗАРОДЫШЕЙ ВОДОРОСЛЕЙ РОДА VOLVOX (VOLVOCALES, CHLOROPHYTA)

Аннотация:

Критически анализируются данные литературы последних лет по инверсии (выворачиванию наизнанку) у зародышей жгутиковых водорослей рода Volvox. В этом процессе важную роль играют активные изменения формы эмбриональных клеток и смещение межклеточных цитоплазматических мостиков. После инверсии жгутики оказываются на внешней стороне молодой колонии и обеспечивают ее подвижность. В пределах рода Volvox недавно были установлены два основных способа выворачивания зародыша по ходу цикла бесполого развития: инверсия типа А и инверсия типа В, представленные двумя наиболее подробно изученными видами - соответственно Volvox carteri f. nagariensis и V.globator. Однако имеющееся в литературе мнение о том, что инверсия зародышей V. aureus относится к типу В, представляется сомнительным. Сравнительные и эволюционные аспекты инверсии зародышей у Volvox обсуждаются с использованием данных по другим родам колониальных вольвоксовых водорослей. Ключевые слова: водоросли, инверсия зародышей, морфогенез, эволюция, Volvox Зеленая жгутиковая водоросль вольвокс, состоящая из двух типов клеток, соматических и репродуктивных, является ценным модельным объектом современной биологии развития (Kirk, Nishii, 2001; Matt, Umen, 2016; Desnitskiy, 2017). Циклы бесполого размножения Volvox и ряда других родственных представителей семейства Volvocaceae (например, Pleodorina, Eudorina, Pandorina) включают рост и серию последовательных делений гонидий (бесполых репродуктивных клеток), инверсию формирующихся зародышей, рост молодых организмов внутри родительского, их освобождение из него и т.д. Критическим этапом морфогенеза вольвокса является процесс инверсии зародышей (молодых формирующихся колоний), происходящий вскоре после завершения серии клеточных делений, когда образуется полая сферическая масса клеток. Внутренняя и наружная стороны молодой колонии сформированы на этой стадии развития соответственно ядерными (будущими жгутиковыми) и хлоропластными концами клеток. В процессе инверсии полый сфероид выворачивается наизнанку через фиалопор — небольшое отверстие на переднем полюсе. Таким образом, жгутики оказываются на наружной стороне сферической колонии и смогут впоследствии обеспечить ее передвижение. Инверсия была описана у нескольких видов Volvox в первой половине XX века (Powers, 1908; Janet, 1923; Zimmermann, 1925; Kuschakewitsch, 1931; Pocock, 1933a, b). Однако детали этого процесса на клеточном уровне были подробно выяснены гораздо позднее в результате исследований развития Volvox carteri f. nagariensis (Viamontes, Kirk, 1977; Kirk, 1998; Kirk, Nishii, 2001, и др.). Инверсия начинается через 30—60 мин после завершения серии делений гонидий и протекает примерно за 45 мин. Первым событием является изменение формы всех презумптивных соматических клеток зародыша, которые соединены тонкими цитоплаз-матическими мостиками (результат незавершенного цитокинеза при дроблении), из грушевидной в веретеновидную. В результате этого объем зародыша несколько уменьшается. Затем клетки вокруг фиалопора приобретают бутылковидную форму с длинными тонкими отростками, смотрящими наружу. Одновременно эти клетки смещаются таким образом, что цитоплазматические мостики теперь соединяют не срединные части клеток, но кончики их отростков. По-видимому, вследствие этого возникает механическое напряжение, которое разрешается посредством выворачивания губ фиалопора наружу (рис. 1). Далее выворачивание продолжается, поскольку изменение формы клеток в бутылковидную и одновременное смещение этих клеток относительно мостиков происходят в районе, занимающем более дистальное положение по отношению к фиалопору. В то же время более проксимальные клетки превращаются после прохождения района наибольшего искривления из бу-тылковидных в цилиндрические. К тому моменту, когда волна изменений формы клеток достигает противоположного полюса, вся молодая колония выворачивается наизнанку, а жгутики оказываются на ее внешней стороне. Известны мутанты вольвокса, у которых не происходит выворачивания колонии после завершения серии клеточных делений (Kirk, 1998; Ueki, Nishii, 2009). Поэтому особенно интересным представляется исследование гена InvA, кодирующего необходимый для инверсии белок кинезин (Nishii et al., 2003). Данный белок синтезируется по ходу эмбриогенеза (дробление и инверсия), локализуется в межклеточных цитоплазматических мостиках и обеспечивает движущую силу для выворачивания колонии V. carteri f. nagariensis. У мутанта InvA наблюдаются лишь самые ранние этапы инверсии — удлинение клеток (приобретение ими веретено-видной формы) и первоначальное раскрытие губ фиалопора наружу, однако не происходит перемещение клеток относительно цитоплазматических мостиков и дальнейшее течение инверсии полностью блокировано. Упомянутая работа хорошо дополняет предыдущее исследование той же группы (Nishii, Ogihara, 1999), в котором было показано, что на более поздних этапах инверсии важную роль в распространении района изгибания пласта клеток от передней к задней полусфере зародыша вольвокса играет актомиозин. С другой стороны, процессы перемещения и изменения формы индивидуальных клеток от актомиозина не зависят. Отметим, что Ниши и соавторы (Nishii et al., 2003) обнаружили наличие в геноме родственной вольвоксу одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardtii гена iar (ортолога гена InvA), который тоже кодирует кинезин, сходный по аминокислотной последовательности с кинезином V. carteri f. nagariensis. Функция этого белка у не имеющей инверсии хламидомонады пока остается неясной (Umen, Olson, 2012; Matt, Umen, 2016). Экс пер и ментально-морфологические работы, выполненные на V. aureus (Kelland, 1977) и V. tertius (Ireland, Hawkins, 1981), хорошо согласовывались с данными по модельному виду V. carteri f. nagariensis (Viamontes, Kirk, 1977), но показывали, что в деталях инверсии у разных видов вольвокса возможны некоторые отличия. Тем не менее, Хупс и соавторы (Hoops et al., 2006) предполагали, что основные механизмы инверсии (изменения формы клеток зародыша и активная роль межклеточных цитоплазматических мостиков) сходны не только у разных видов Volvox, но даже у видов из разных родов семейства Volvocaceae. Однако сравнительно недавно (Hallmann, 2006; Hohn, Hallmann, 2011) были получены очень важные данные по анализу бесполого развития V. globator, которые показали, что процессы инверсии у разных видов рода Volvox более разнообразны, чем предполагалось ранее. В частности, у V. globator вскоре после завершения периода дробления зародыша происходит некоторое уменьшение объема его задней полусферы и она выворачивается. Только после этого на переднем полюсе открывается фиалопор и происходит выворачивание передней полусферы, сопровождаемое закрытием фиалопора (рис. 2). Таким образом, были установлены два основных типа выворачивания зародышей вольвокса: инверсия "типа А" и инверсия "типа В", представленные двумя наиболее подробно изученными видами — соответственно V. carteri f. nagariensis и V. globator (Hallmann, 2006; Hohn, Hallmann, 2011). Основное различие между двумя типами инверсии заключается в том, что в первом случае этот процесс начинается на переднем полюсе зародыша, а во втором — в его задней полусфере. Координированные перемещения клеток относительно системы межклеточных цитоплазматических мостиков играют, наряду с изменениями формы клеток, важную роль в процессе инверсии у зародышей обоих видов вольвокса. Однако у V. globator веретеновидные клетки удавалось наблюдать не во всем зародыше, а только в задней полусфере на стадии ее сжатия. Рассмотрение математических моделей процесса выворачивания зародышей Volvox (с упором на данные по морфогенезу у V. globator), которые были недавно опубликованы (Haas, Goldstein, 2015; Hohn et al., 2015), не входит в задачи настоящей статьи. Следует кратко обсудить данные по другим представителям рода Volvox, у которых, однако, особенности инверсии зародышей изучены не так обстоятельно, как у V. carteri f. nagariensis и V globator. В литературе имеется соответствующая информация по морфогенезу у V africanus (Pocock, 1933а), V. aureus (Darden, 1966; Kelland, 1977), V. capensis (Pocock, 1933b), V. gigas (Pocock, 1933a), V rousseletii (Pocock, 1933b; McCracken, Starr, 1970) и V. tertius (Pickett-Heaps, 1970; Ireland, Hawkins, 1981; Hallmann, 2006). В рассмотренных выше статьях о V. globator (Hallmann, 2006; Hohn, Hallmann, 2011) было указано, что для V africanus, V. gigas и V. tertius характерна инверсия типа А (сходно с V. carteri f. nagariensis). Эта точка зрения представляется мне совершенно обоснованной. Кроме того, хотелось бы добавить, что все четыре упомянутых вида вольвокса с инверсией типа А имеют крупные гонидии, дробящиеся без клеточного роста, тогда как остальные упомянутые виды вольвокса имеют маленькие гонидии, а в интервалах между последовательными делениями происходит рост клеток зародышей (Herron et al., 2010; Desnitskiy, 2016). С другой стороны, было высказано мнение (Hallmann, 2006; Hohn, Hallmann, 2011), что для V. aureus, V. capensis, V. dissipatrix и V rousseletii (видов с маленькими гонидиями) характерна инверсия типа В (сходно с V.globator). Однако такая точка зрения представляется мне справедливой только для V capensis и V. rousseletii. В литературе отсутствуют какие-либо данные об особенностях процесса инверсии зародышей у V. dissipatrix, а исследования инверсии у V. aureus (Darden, 1966, p. 242, figs 10-15; Kelland, 1977, p. 377, fig. 11) показывают, что она существенно отличается от инверсии типа В. Отметим, что согласно мнению Покок (Pocock, 1933а, р. 485), "у V. africanus инверсия сходного типа с таковой у V. aureus". Как указано выше, V. africanus имеет инверсию типа А. Разумеется, в будущем было бы важно провести более обстоятельный анализ морфогенеза у космопо-литной водоросли V. aureus. В настоящее время не представляется возможным делать выводы о существовании корреляции типа инверсии у вольвокса с размером зрелых гонидий и наличием либо отсутствием клеточного роста в интервалах между последовательными делениями дробления. Таким образом, в пределах рода Volvox, который включает 22 вида, распределенных по четырем таксономическим секциям (Nozaki et al., 2015), более или менее подробные описания процесса выворачивания зародышей имеются для восьми видов. Бесполые колонии с инверсией типа В (V. capensis, V. globator, V. rousseletii) характерны только для членов таксономической секции Euvolvox. Эта секция четко обособлена в филогенетическом отношении (Herron, Nedelcu, 2015; Nozaki et al., 2015) от трех остальных секций, к которым относятся другие упомянутые нами виды вольвокса. Колонии видов с инверсией типа В, как правило, состоят из большего числа клеток, чем колонии видов с инверсией типа А (V. africanus, V. carteri, V. gigas, V. tertius). Однако эта закономерность не является абсолютной и числа клеток у некоторых видов могут перекрываться: так, например, бесполые колонии V. carteri и V. rousseletii состоят, согласно нашим данным (Shelton et al., 2012), соответственно, из 587—5024 и 3106—12971 клеток. Тем не менее, данные по половому размножению и развитию у V rousseletii (Pocock, 1933b) показывают, что относительно небольшое число клеток в зародыше может накладывать определенные ограничения ("developmental constraints") на процесс морфогенеза. Образующийся в результате прорастания зиготы миниатюрный зародыш этого вида вольвокса выворачивается наизнанку, когда состоит всего лишь из 128, 256 или 512 клеток. С другой стороны,образующийся в результате серии делений андрого-нидия (мужской инициальной клетки) пакет сперматозоидов также претерпевает инверсию, когда достигает 256 или 512-клеточной стадии. В обоих случаях процесс выворачивания протекает отлично от такового в ходе бесполого развития V rousseletii и в свете представлений о двух основных способах инверсии у вольвокса (Hallmann, 2006) может быть классифицирован как инверсия типа А. Перейдем к краткому рассмотрению данных по морфогенезу некоторых более примитивно организованных колониальных вольвоксовых. У 8-16-клеточной Pandorina morum (Fulton, 1978; Hallmann, 2006) и 16-32-клеточных Eudorina elegans (Marchant, 1977), Eudorina unicocca (Hallmann, 2006) и Platydorina caudata (lida et al., 2011) в процессе инверсии все клетки завершившего дробление зародыша одновременно претерпевают изменение формы. Напомним, что у Pandorina и Eudorina зрелые колонии сферические, тогда как у Platydorina молодые колонии вскоре после завершения инверсии претерпевают так называемый процесс "интерка-ляции" и становятся плоскими. У Pleodorina californica, ближайшего родственника вольвокса, сферические колонии состоят из 64 или 128 клеток. В ходе инверсии Pleodorina (Hohn, Hallmann, 2016) клетки зародыша подвергаются изменениям формы не одновременно (как у Pandorina, Platydorina и Eudorina), но это протекает волнообразно по направлению к заднему полюсу, напоминая инверсию типа А у Volvox. С другой стороны, веретеновидную форму приобретают только клетки в задней полусфере зародыша плео-дорины, что сходно с инверсией типа В. Таким образом, различные изменения процесса инверсии зародыша Pleodorina могли бы в ходе эволюции приводить соответственно к инверсии типа А или типа В у водорослей рода Volvox. Однако пока трудно сказать, какой из двух типов инверсии эволю-ционно более продвинут. Наконец, следует отметить, что среди зеленых водорослей порядка Volvocales имеется род Astrephomene, у которого сферические колонии состоят из 32 или 64 клеток, но нет инверсии (Yamashita et al. 2016). В данном случае деления эмбриональных клеток ориентированы таким образом, что их жгутиковые концы непосредственно после завершения дробления смотрят наружу, и у молодой бесполой колонии Astrephomene gubernaculifera нет необходимости выворачиваться наизнанку. В дробящемся зародыше этой водоросли имеются (как и у других колониальных вольвоксовых) межклеточные цитоплазматические мостики. Поэтому можно предполагать, что в мостиках локализован гомолог упомянутого выше invA (либо сходный двигательный белок), который важен для должной ориентации клеток по ходу дробления. Разумеется, высказанная гипотеза (Yamashita et al. 2016) об особенностях "альтернативной эволюции" у рода Astrephomene требует экспериментальной проверки. Традиционно считалось (Ettl, 1983), что инверсии также нет и при формировании 8-16-клеточ-ных колоний Gonium pectorale. Однако согласно данным последних лет (Hallmann, 2006; lida et al., 2013), в онтогенезе этой водоросли после завершения короткой серии из трех или четырех делений имеет место частичная инверсия; жгутиковые концы клеток временно оказываются на вогнутой стороне зародыша. Но полного выворачивания не происходит, степень искривления постепенно уменьшается, и молодая колония приобретает окончательный вид плоской или лишь слегка выпуклой пластинки (в последнем случае жгутиковые концы клеток обращены наружу). В литературе последних лет иногда пытаются (например, Keller, Shook, 2011) сопоставить инверсию вольвокса с гаструляцией, важнейшим мор-фогенетическим процессом в раннем развитии многоклеточных животных, в результате которого происходит обособление зародышевых листков. Инверсию зародышей Volvox даже называют "гаструляцией зеленых водорослей" (green algal "gastrulation") (Matt, Umen, 2016). Разумеется, наличие цитоплазматических мостиков, благодаря которым соседние клетки зародыша занимают фиксированное положение по отношению друг к другу, является важной особенностью процесса инверсии вольвокса по сравнению с гаструляцией животных. Напомним, что у некоторых видов Volvox межклеточные мостики разрушаются вскоре после завершения инверсии, а у других видов они сохраняются во взрослых колониях (Desnitskiy, 2014). Кроме того, у Metazoa гаструляция обычно протекает на фоне достаточно активной пролиферации клеток зародышей, тогда как у вольвокса инверсия происходит уже после завершения периода клеточных делений. Инверсия зародышей происходит не только в онтогенезе колониальных вольвоксовых водорослей, но также и в раннем эмбриональном развитии известковых губок (Calcarea), которые составляют один из классов типа Porifera (Ivanov, 1971; Ereskovsky, 2010; Fortunato et al., 2012; Lanna, Klautau, 2012). Однако детали инверсии изучены у известковых губок не так обстоятельно, как у вольвокса. Интересно отметить, что хорошо обосновано положение, согласно которому у представителей типа Porifera нет ни зародышевых листков, ни гаструляции (Ereskovsky, 2010; Dondua, Kostyuchenko, 2013). Тот факт, что у известковых губок инверсия зародышей никоим образом не является гаструляцией, дает, на наш взгляд, дополнительную поддержку точке зрения, согласно которой инверсия зародышей у вольвокса (разумеется, не имеющего зародышевых листков) также является процессом, принципиально отличным от гаструляции. В заключение заметим, что выворачивание организма наизнанку и смена расположения зародышевых листков происходят на поздних этапах онтогенеза Polypodium hydriforme, который согласно современным представлениям (Okamura, Gruhl, 2016) является паразитической книдарией. Однако этот процесс у Polypodium очень мало изучен (Raikova, 1994) и его трудно сравнивать с инверсией у Volvox.

Авторы:

Издание: Онтогенез
Год издания: 2018
Объем: 6с.
Дополнительная информация: 2018.-N 3.-С.147-152. Библ. 45 назв.
Просмотров: 72