Половой процесс у грибов: совместимость, плазмогамия, кариогамия и мейоз

У шляпочного гриба шизофиллум, растущего на мёртвой древесине по всему миру, больше двадцати тысяч «полов». У пекарских дрожжей — два, но клетка умеет менять свой пол раз в поколение, вырезая один ген и вставляя другой. У мукора, чёрной плесени на хлебе, полов тоже два, и называются они «плюс» и «минус», потому что ничем не отличаются. А у пресноводного гриба моноблефариса есть настоящие яйцеклетки и настоящие сперматозоиды. Половой процесс грибов — одна из самых странных глав биологии: клетки сливаются, но ядра — нет; два генома живут в одной клетке годами, прежде чем объединиться; единственная диплоидная клетка в жизни гриба существует считаные часы, а потом сразу делится мейозом. При этом грибы, которых сто лет считали бесполыми, одни за другими оказываются способными к половому процессу — просто никто не знал, как их уговорить.

В конце — что нужно знать к ЕГЭ, раздел для олимпиадников и 16 заданий с разбором. О бесполом размножении — в статье «Бесполое размножение грибов», о строении клетки — в статье «Строение грибной клетки», о сумчатых и базидиальных грибах — в статьях «Аскомицеты» и «Базидиомицеты», о смене ядерных фаз — в статье «Жизненные циклы грибов».

• Как изучали пол у грибов
• Зачем грибам половой процесс
• Три этапа и разрыв между ними
• Совместимость: типы спаривания вместо полов
• Дрожжи: два типа и смена пола
• Нейроспора и идиоморфы
• Тетраполярные грибы: полы тысячами
• Феромоны: как партнёры находят друг друга
• Плазмогамия: пять способов слить клетки
• Дикарион: крючок и пряжка
• Кариогамия и мейоз
• В сумке: от зиготы до восьми спор
• На базидии: четыре споры и выстрел
• Зигоспора мукоровых
• Половой процесс зооспоровых грибов
• Жизненные циклы грибов
• Ржавчина: пять спор и два хозяина
• Скрытый пол «бесполых» грибов
• Что мейоз грибов дал генетике
• Эгоистичные гены в мейозе
• Половой процесс на службе человека
• Частые вопросы
• Что нужно знать к ЕГЭ
• Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

Как изучали пол у грибов

Сумки со спорами видели ещё в XVIII веке, но что это итог полового процесса, понял Антон де Бари в 1860-х годах: он описал у сумчатых грибов половые органы — женский аскогон и мужской антеридий — и проследил, как после их контакта образуются сумки [1, 2]. Казалось, у грибов всё как у растений: есть мужское и женское. Эту картину разрушил в 1904 году американец Альберт Блейксли. Работая с мукоровыми плесенями, он заметил, что одни культуры никогда не образуют зигоспор, сколько бы их ни держали, а в паре с некоторыми другими — образуют. Внешне партнёры были неотличимы, и Блейксли, отказавшись от слов «самец» и «самка», назвал их «плюс» и «минус». Так было открыто явление гетероталлизма: половой процесс возможен только между мицелиями разных, но внешне одинаковых типов [3].

В 1920 году Ганс Книп обнаружил у шляпочного гриба шизофиллума не два, а четыре класса совместимости, каждый из которых скрещивался только с одним другим, — тетраполярную гетероталлию [4]. Артур Буллер в 1931 году описал, как дикариотический мицелий «оплодотворяет» одноядерный, передавая ему ядра, — феномен Буллера [5]. Джон Рейпер в 1950–1960-х годах подсчитал, что у шизофиллума типов спаривания больше двадцати тысяч, и написал первую книгу по генетике пола у грибов [6]. Карл Линдегрен в 1940-х научился вскрывать сумки дрожжей и высевать четыре споры порознь — тетрадный анализ сделал дрожжи генетическим объектом [7].

Молекулярная эра началась с феромонов — сиренина алломицеса (1968) и триспоровых кислот мукоровых (1969) — и с кассетной модели смены типа спаривания у дрожжей (1977), объяснившей, как клетка переключает пол. В 1990-х годах прочитали локусы типов спаривания нейроспоры и базидиомицетов, а в 2000–2010-х грибы, считавшиеся бесполыми, — кандида, криптококк, возбудитель аспергиллёза, промышленный пеницилл — один за другим оказались способными к половому процессу [8, 9, 10, 11, 12].

Зачем грибам половой процесс

Бесполое размножение быстрее и дешевле, и у грибов оно даёт основную массу спор. Зачем тогда половой процесс? Ответ тот же, что для всех эукариот: рекомбинация. Мейоз перетасовывает гены двух родителей, и среди потомков появляются сочетания, которых не было ни у одного из них, — в том числе лишённые вредных мутаций, которые у клона накапливаются необратимо («храповик Мёллера»), и устойчивые к новым паразитам и ядам. Половой процесс у грибов, кроме того, почти всегда связан с переживанием: мейоспоры — аскоспоры, зигоспоры, телиоспоры — толстостенные, устойчивые к холоду и сухости, и образуются при истощении субстрата. Гриб размножается бесполым путём, пока хорошо, и переходит к половому, когда становится плохо [13, 14].

Цена полового процесса тоже есть: нужен партнёр, нужно время (у аспергилла — полгода на созревание плодовых тел), а гены удачного генотипа «разбавляются» чужими. Поэтому многие грибы держат половой процесс как редкий резерв: кандида, аспергилл, пеницилл десятилетиями считались бесполыми, потому что в лаборатории скрещивались раз в сто лет. Оценки по геномам показывают, что даже у них рекомбинация идёт — редко, но достаточно, чтобы популяция не была набором клонов [15, 16].

Три этапа и разрыв между ними

Половой процесс любого эукариота — это слияние двух клеток, слияние их ядер и мейоз. У животных первые два события происходят в одном акте оплодотворения, а мейоз отнесён в образование гамет. Грибы разделили все три.

Плазмогамия — слияние цитоплазм двух клеток; их ядра оказываются рядом, но не сливаются. Кариогамия — слияние ядер, дающее единственную диплоидную клетку. Мейоз следует за кариогамией почти сразу и возвращает гаплоидность. Между плазмогамией и кариогамией у аскомицетов и базидиомицетов лежит дикарион — клетки с двумя разными ядрами, делящимися синхронно; у базидиомицетов это целый мицелий, живущий годами и образующий плодовые тела, у аскомицетов — короткие аскогенные гифы внутри плодового тела. Дикарион — изобретение грибов: ни у растений, ни у животных ничего подобного нет [17, 18].

Зачем откладывать кариогамию? По-видимому, это способ совместить выгоды обоих состояний. Дикарион генетически почти диплоид: у него два набора генов, и вредная мутация в одном прикрыта исправным геном в другом. Но ядра не слиты, и гриб в любой момент может «разобрать» дикарион обратно на составляющие, а при кариогамии и мейозе — рекомбинировать именно те два ядра, которые успешно вместе прожили. Кроме того, двуядерный мицелий базидиомицетов обменивается ядрами с одноядерными (феномен Буллера): встретив гаплоидный мицелий совместимого типа, дикарион отдаёт ему одно из своих ядер, и тот тоже становится дикарионом — «заражение» полом без слияния целых мицелиев [5, 6].

Совместимость: типы спаривания вместо полов

У грибов нет самцов и самок. Есть типы спаривания — генетически заданная совместимость: слиться и дать потомство могут клетки, различающиеся по локусу (или локусам) типа спаривания. Партнёры при этом морфологически одинаковы, гамет разного размера, как правило, нет, и ни один из них не «мать» и не «отец». Исключения — грибы с половыми органами, где один партнёр отдаёт ядра, а другой принимает, но и там любой мицелий может быть и донором, и реципиентом: нейроспора типа A оплодотворяет нейроспору типа a своими микроконидиями и сама принимает её микроконидии [9, 19].

Систем совместимости три. При гомоталлизме мицелий, выросший из одной споры, способен к половому процессу сам с собой: либо в его геноме есть оба типа спаривания (как у сордарии и некоторых аспергиллов), либо клетки умеют переключать тип (как у дрожжей). При биполярной гетероталлии тип задаёт один локус с двумя вариантами, и совместима половина случайных пар — нейроспора, мукор, криптококк, головнёвые грибы. При тетраполярной гетероталлии локусов два, и каждый в популяции представлен десятками аллелей: совместимы почти все чужие пары, но лишь четверть «родных» — спор из одного плодового тела. Так гриб одновременно запрещает самооплодотворение и почти никогда не остаётся без партнёра [6, 20].

Термины «гомо-» и «гетероталлизм» ввёл Блейксли, и важно не путать их с самоопылением и перекрёстным опылением растений: гомоталлический гриб может и скрещиваться с другими, а гетероталлический — не может только сам с собой. Есть и вторичный гомоталлизм: у шампиньона двуспоровая базидия даёт споры с двумя ядрами разных типов, так что каждая спора прорастает сразу в плодоносящий дикарион, а у нейроспоры тетраспермы сумка с четырьмя двуядерными спорами устроена так же. Вторичный гомоталлизм удобен для гриба, которому некого искать, — например, для культивируемого шампиньона, предки которого жили на навозе лошадей в редких кучах [21, 17].

Дрожжи: два типа и смена пола

У пекарских дрожжей два типа спаривания — a и α, и определяет их локус MAT, несущий либо гены a, либо гены α. Гаплоидная клетка a выделяет пептидный феромон a-фактор и несёт рецептор к α-фактору; клетка α — наоборот. Почуяв партнёра, клетки останавливают цикл, вытягиваются навстречу друг другу (в «шму»), сливаются, ядра сливаются тут же — и получается диплоидная клетка a/α, которая у дрожжей, в отличие от большинства грибов, не торопится в мейоз, а почкуется как диплоид, пока хватает питания. Диплоидные дрожжи — норма: пекарские и пивные штаммы диплоидны или полиплоидны. Лишь при голодании по азоту диплоид проходит мейоз и образует сумку с четырьмя аскоспорами — две a и две α [22].

Самое удивительное у дрожжей — смена типа спаривания. Дикие штаммы гомоталличны: колония, выросшая из одной споры a, через несколько поколений содержит и клетки α, которые спариваются с соседями. Как клетка меняет пол, объяснила в 1977 году кассетная модель Хикса, Стратерна и Херсковица: кроме «играющего» локуса MAT, в геноме есть две «молчащие» копии — кассеты HMLα и HMRa, упакованные в неактивный хроматин. Фермент HO-эндонуклеаза разрезает ДНК в локусе MAT, и клетка чинит разрыв, копируя туда содержимое противоположной кассеты: a заменяется на α или наоборот [8, 22]. Переключение подчинено правилам: оно происходит только в материнской клетке, а не в только что отпочковавшейся дочери (белок Ash1 в дочери подавляет HO), и только в начале цикла; в результате после двух делений из одной клетки получается пара клеток a и пара α, стоящих рядом, — и они спариваются. Лабораторные штаммы несут мутацию ho и пол не меняют, иначе гаплоидные линии невозможно было бы поддерживать.

Нейроспора и идиоморфы

У нейроспоры и большинства плесневых аскомицетов типа спаривания тоже два — A и a (у аспергиллов и пенициллов — MAT1-1 и MAT1-2). Когда в 1990 году локусы прочитали, оказалось, что они не аллели одного гена: участки ДНК в локусе A и в локусе a не имеют между собой ничего общего — разные гены, разной длины, кодирующие разные транскрипционные факторы, просто занимающие одно место на хромосоме. Роберт Метценберг и Луиза Гласс назвали их идиоморфами [9]. Белки идиоморфов — регуляторы: они включают гены феромонов, рецепторов и половых структур и одновременно запрещают мицелиям разных типов сливаться вегетативно (у нейроспоры такие гетерокарионы гибнут) — чтобы ядра встречались только в половом процессе.

Половой процесс нейроспоры выглядит так. При недостатке азота мицелий любого типа образует зачатки плодовых тел — протоперитеции с аскогоном, из которого торчит длинная воспринимающая гифа, трихогина. Трихогина растёт по градиенту феромона к микроконидии или гифе противоположного типа, сливается с ней и втягивает ядро в аскогон. Там ядра двух типов делятся и расходятся по аскогенным гифам с крючками, в каждом крючке происходит кариогамия, мейоз и один митоз — и созревает сумка с восемью аскоспорами, лежащими в ряд в том порядке, в каком разошлись хромосомы. Перитеций выстреливает споры на десятки сантиметров; прорастают они только после прогрева до 60 °C — нейроспора заселяет гари, и её оранжевый налёт на обгорелой древесине дал ей народное имя «гриб пожарищ» [23, 9].

Тетраполярные грибы: полы тысячами

У большинства шляпочных грибов совместимость задают два несцепленных локуса — A и B. Локус A кодирует пары гомеодоменных транскрипционных факторов, локус B — феромоны и их рецепторы. Для слияния ядер в дикарион и образования пряжек нужно, чтобы партнёры различались по обоим локусам: продукты A двух партнёров образуют работающий гетеродимер только из разных аллелей, а феромон одного партнёра должен подойти к рецептору другого. Аллелей много: у шизофиллума — более 300 вариантов A и более 80 вариантов B, что даёт свыше 20 тысяч типов спаривания; у навозника — около 12 тысяч. Шанс, что два случайных мицелия шизофиллума совместимы, превышает 98 % [24, 10, 20].

Как устроено такое разнообразие? Каждый локус — на самом деле несколько сцепленных сублокусов (Aα, Aβ, Bα, Bβ), и совместимость достигается различием хотя бы по одному; аллели различаются не точечными заменами, а целыми наборами генов, разошедшимися десятки миллионов лет назад и поддерживаемыми отбором: редкий аллель всегда в выигрыше, потому что совместим почти со всеми, — так называемый отрицательный частотно-зависимый отбор, тот же, что поддерживает группы крови и гены иммунной совместимости у животных. При этом тетраполярная система жёстко запрещает инбридинг: из четырёх спор одной базидии совместимы лишь пары, различающиеся по обоим локусам, — четверть сочетаний.

У головнёвых и ржавчинных грибов, а также у криптококка система вторично стала биполярной: два локуса сцепились в один огромный участок хромосомы, не рекомбинирующий, — своего рода половую хромосому. У криптококка такой локус MAT длиной более 100 тысяч пар нуклеотидов — и это одна из моделей того, как возникали половые хромосомы животных и растений [16, 14].

Феромоны: как партнёры находят друг друга

Партнёр, неотличимый внешне, должен быть отличим химически, и грибы решают это феромонами трёх химических семейств.

Пептиды. У дрожжей α-фактор — пептид из 13 аминокислот, a-фактор — пептид из 12 с присоединённым липидом (фарнезилом); у базидиомицетов феромоны локуса B устроены как a-фактор. Рецепторы — белки с семью трансмембранными спиралями, работающие через G-белок, как рецепторы запаха и гормонов у человека; путь от рецептора к ядру у дрожжей — каскад киназ — стал первым полностью разобранным сигнальным путём эукариот. Концентрация феромона подсказывает направление: клетка дрожжей выпускает выступ в сторону большей концентрации, а трихогина нейроспоры растёт по градиенту к партнёру [22, 10].

Трисporовые кислоты мукоровых — терпеноиды, производные β-каротина, и у них замечательное свойство: ни один партнёр не может синтезировать их в одиночку. «Плюс» делает один предшественник, «минус» — другой, каждый выделяет свой в среду, поглощает чужой и достраивает его до активного вещества. Феромон получается только там, где есть оба, — и там же из гиф вырастают зигофоры, которые растут навстречу друг другу. Попутно триспоровые кислоты включают синтез каротина, и спаривающаяся культура желтеет — на этом основано промышленное получение β-каротина из гриба Blakeslea trispora, названного в честь Блейксли [25].

Сиренин — первый выделенный половой феромон грибов (1968): сесквитерпен, который выделяют женские гаметы водного гриба алломицеса и на который плывут мужские. Он действует в концентрации 10⁻¹⁰ моль/л, а мужские гаметы его разрушают, поглотив, чтобы не «оглохнуть» от собственного следа. Мужские гаметы в ответ выделяют паризин, привлекающий женские. Имя феромону дали в честь сирен — за способность приманивать пловцов [26].

Плазмогамия: пять способов слить клетки

Узнав друг друга, партнёры должны объединить цитоплазмы. У грибов для этого есть пять способов — от настоящего оплодотворения с яйцеклеткой до простого слияния двух обычных гиф.

Планогамия — слияние подвижных гамет со жгутиками, как у животных и водорослей, — есть только у зооспоровых грибов. У алломицеса гаметы различаются размером и окраской (мелкие оранжевые мужские, крупные бесцветные женские), у моноблефариса — настоящая оогамия: неподвижная яйцеклетка в оогонии и сперматозоиды из антеридия. Это единственный случай оогамии среди настоящих грибов [17, 18].

Гаметангиогамия — слияние целых половых клеток, гаметангиев, — у мукоровых: две гифы противоположных типов растут навстречу, их концы вздуваются, отделяются перегородками в многоядерные гаметангии, стенка между ними растворяется, и содержимое объединяется в зигоспору. Гаметангиальный контакт — у сумчатых грибов: мужской антеридий прикладывается к женскому аскогону и переливает в него ядра через трихогину; собственное содержимое антеридия в зиготу не входит. Сперматизация — у ржавчинных грибов и многих сумчатых: мелкие неподвижные клетки-спермации (у нейроспоры — микроконидии, у ржавчины — пикниоспоры) переносятся ветром, водой или насекомыми на воспринимающие гифы; спермаций — чистый «отец», он отдаёт ядро и ничего больше. Соматогамия — у большинства базидиомицетов и у дрожжей: сливаются обычные вегетативные гифы или клетки, никаких половых органов нет вовсе [27, 28].

Последовательность от планогамии к соматогамии повторяет эволюцию грибов: половые органы, унаследованные от жгутиковых предков, упрощались до тех пор, пока не исчезли совсем, а «пол» целиком перешёл в гены совместимости. У самых сложных грибов, шляпочных, половой процесс начинается с того, что две гифы на опушке леса срастаются перемычкой.

Дикарион: крючок и пряжка

После плазмогамии у аскомицетов и базидиомицетов в клетке два ядра, и гриб должен делить их так, чтобы каждая новая клетка получала по одному ядру каждого партнёра. Для этого у обеих групп есть похожие приспособления: крючок (крозье) в аскогенных гифах сумчатых грибов и пряжка на гифах базидиомицетов [17].

Пряжки видны в микроскоп как боковые петельки у каждой перегородки дикариотического мицелия, и по ним миколог узнаёт, что мицелий двуядерный: у вёшенки и опёнка пряжки есть, у шампиньона и белого гриба их нет (их дикарион обходится другим механизмом). У сумчатых грибов крючок образуется только внутри плодового тела, и его верхушечная двуядерная клетка превращается в сумку: ядра в ней сливаются, и следует мейоз. Из основания крючка тем временем вырастает новый крючок, и так один аскогенный «куст» даёт десятки сумок [18].

Дикарион базидиомицетов — удивительно устойчивое состояние. Два ядра делятся синхронно сотни и тысячи раз, не сливаясь; у ржавчины дикарион переходит из споры в спору всё лето; у шляпочных грибов двуядерный мицелий живёт десятилетиями и образует все плодовые тела, а кариогамия происходит только в базидиях, за часы до мейоза. У некоторых грибов дикарион даже «распадается» и собирается заново: при встрече с другим мицелием ядра могут покинуть одного партнёра и уйти к другому (феномен Буллера), так что генотип дикариона со временем меняется [5, 6].

Кариогамия и мейоз

Кариогамия — слияние ядер — происходит у грибов в особой клетке: молодой сумке, молодой базидии, зигоспоре, телиоспоре ржавчины, покоящемся спорангии хитридиевых. Эта клетка — единственная диплоидная в жизни большинства грибов, и живёт она часы или дни: сразу за кариогамией начинается мейоз. Исключения — дрожжи, у которых диплоид размножается почкованием, и алломицес с настоящим диплоидным поколением.

Мейоз грибов идёт по той же программе, что у всех эукариот: синапсис гомологов, кроссинговер, два деления. Но наблюдать его у грибов удобнее, чем у кого бы то ни было: четыре продукта одного мейоза остаются вместе — в сумке или на базидии, — и их можно высеять порознь и проанализировать. Это тетрадный анализ, которого нет у животных (из четырёх продуктов мейоза самки три гибнут) и который сделал дрожжи и нейроспору главными объектами генетики мейоза: на них открыли генную конверсию, механизм кроссинговера через двухцепочечный разрыв, белки синаптонемного комплекса и контрольные точки мейоза [23, 7].

В сумке: от зиготы до восьми спор

Сумка (аск) — клетка, в которой у аскомицетов происходят кариогамия, мейоз и образование спор. Из крючка аскогенной гифы отделяется двуядерная клетка; ядра сливаются; диплоидное ядро делится мейозом на четыре, каждое — ещё раз митозом, и вокруг восьми ядер отшнуровываются аскоспоры. У нейроспоры и других грибов с узкими сумками споры лежат в ряд в порядке делений — упорядоченная тетрада: первые четыре споры — потомки одного ядра первого деления мейоза, вторые четыре — другого. По расположению признаков в сумке видно, разошлись ли аллели гена в первом или втором делении мейоза, а значит, был ли кроссинговер между геном и центромерой; доля сумок второго типа даёт расстояние от гена до центромеры. Так картировали центромеры нейроспоры в 1940-х годах, задолго до молекулярных методов [23].

Сумки собраны в плодовые тела — аскомы: закрытые клейстотеции (аспергилл, мучнистая роса), кувшинчатые перитеции с отверстием (нейроспора, спорынья), открытые блюдцевидные апотеции (сморчки, пецицы) и погружённые в ткань хозяина псевдотеции. Зрелая сумка — пушка: в ней растёт тургор (у сордарии — до 1,5 МПа), верхушка вскрывается крышечкой или порой, и восемь спор выстреливаются струёй на несколько сантиметров — из приземного слоя воздуха туда, где есть ветер. Апотеции сморчков и пециц, если на них дохнуть, выпускают облачко спор с тихим шипением: тысячи сумок стреляют разом, реагируя на изменение влажности [17, 29].

Трюфели — аскомицеты, ушедшие под землю: их сумки не стреляют, а споры разносят животные, привлечённые запахом; в сумке трюфеля спор не восемь, а от одной до шести, и они крупные, с орнаментом. Спорынья образует перитеции весной на проросшем склероции, и её нитевидные аскоспоры попадают в цветки ржи — единственное время, когда гриб может заразить злак.

На базидии: четыре споры и выстрел

Базидия — клетка базидиомицетов, в которой сливаются ядра дикариона и проходит мейоз; четыре гаплоидных ядра уходят в четыре выроста-стеригмы, и на каждой созревает базидиоспора. У шляпочных грибов, трутовиков и дождевиков базидия цельная (холобазидия); у ржавчинных и головнёвых — разделена перегородками на четыре клетки (фрагмобазидия) и вырастает из толстостенной покоящейся телиоспоры. Пластинки, трубочки, шипики и складки плодовых тел — это способы разместить как можно больше базидий на единице площади: у крупного шампиньона их миллиарды, и за сутки он выпускает около миллиарда спор [17].

Базидиоспора стартует с базидии уникальным способом. У её основания из выделяемого сахара конденсируется капля воды — капля Буллера, — а на самой споре растёт плёнка влаги; когда капля касается плёнки, они сливаются за микросекунды, центр масс смещается, и спора срывается со стеригмы со скоростью около метра в секунду и ускорением в десятки тысяч g. Пролетев долю миллиметра, спора замедляется и падает вниз между пластинками — ровно настолько, чтобы не прилипнуть к соседней. Поэтому пластинки должны стоять строго вертикально, и гриб выправляет шляпку гравитропизмом. Выстрел снят на высокоскоростную камеру в 2005 году [30, 5].

Не все базидиомицеты стреляют. Дождевики и трюфелевидные базидиомицеты утратили активный выброс: споры созревают внутри и рассеиваются ветром через отверстие или животными. Навозники решают задачу иначе: созревшие пластинки расплываются в чёрную жидкость — аутолиз начинается снизу, где споры уже выпущены, и освобождает место для верхних. Для систематики важнее, что у базидии гриба навозника четыре споры, а у шампиньона — две: двуспоровая базидия — ключ к его вторичному гомоталлизму.

Зигоспора мукоровых

У мукора, ризопуса, пилоболуса половой процесс начинается с триспоровых кислот и заканчивается зигоспорой — толстостенной, тёмной, бородавчатой покоящейся спорой, в которой сливаются многие пары ядер из двух гаметангиев. Зигоспора лежит месяцами, затем прорастает спорангиеносцем с «зародышевым» спорангием; мейоз проходит при прорастании, и все споры этого спорангия у многих видов одного типа спаривания, а у других — обоих. Какие ядра из многих участвуют в кариогамии и мейозе, а какие дегенерируют, — вопрос, по которому цитологи спорят сто лет. Зигоспоры редки в природе и в лаборатории: нужно свести «плюс» и «минус», подобрать среду, и ждать неделями; гриб Blakeslea trispora спаривается охотно, потому его и используют как источник каротина [3, 25, 17].

Половой процесс есть и у зоопагомицетов: у энтомофторовых — похожий на мукоровый, с зигоспорами; у базидиоболюса — редкий случай, когда гаметангии неравны и ядро переходит из «клювика» одной клетки в другую. У гломеромицетов, образующих арбускулярную микоризу, половой процесс не наблюдали никогда, но в геномах найдены гены мейоза и типов спаривания, и генетика популяций указывает на скрытую рекомбинацию — очередной «бесполый» гриб, по-видимому, бесполый лишь для наблюдателя [16, 14].

Половой процесс зооспоровых грибов

Зооспоровые грибы сохранили половой процесс, унаследованный от жгутиковых предков, — с подвижными гаметами. У хитридиевых гаметы часто неотличимы от зооспор, и слияние происходит между равными клетками или между клеткой и ризоидальным талломом; у синхитриума, возбудителя рака картофеля, после слияния зооспор-гамет образуется покоящаяся спора с толстой стенкой, которая десятилетиями сохраняется в почве. Алломицес — редкий среди грибов случай чередования поколений: его диплоидный спороталлом образует и бесполые зооспорангии, и толстостенные покоящиеся спорангии, в которых проходит мейоз; гаплоидные зооспоры дают гаметоталлом с мужскими и женскими гаметангиями, гаметы сливаются — и зигота прорастает в новый спороталлом. Два поколения внешне одинаковы, как у многих водорослей, и чередуются строго, как у растений [17, 18].

Жизненные циклы грибов

По тому, какая фаза преобладает, циклы грибов делят на четыре типа.

Общее правило: у грибов, в отличие от животных, гаплоидная фаза способна к самостоятельной жизни и размножению, а диплоидная чаще всего сведена к одной клетке. Это имеет следствие для генетики: мутация в гаплоидном мицелии проявляется сразу, без скрещивания до гомозиготы, и именно поэтому грибы стали объектами, на которых открыли связь гена с ферментом. Оборотная сторона — вредная мутация не может прятаться за исправным аллелем; дикарион и гетерокарион, по-видимому, и есть грибной способ обзавестись «запасным» геномом, не отказываясь от выгод гаплоидности [29, 14].

Ржавчина: пять спор и два хозяина

Самый сложный половой цикл среди грибов — у ржавчинных базидиомицетов, и его расшифровка в XIX веке (де Бари, 1865) была одним из первых триумфов микологии: оказалось, что «ржавчина пшеницы» и «ржавчина барбариса» — один гриб, который не может замкнуть цикл без обоих хозяев. Крестьяне Европы знали об этом задолго до науки: в Руане ещё в 1660 году запретили сажать барбарис рядом с полями [1, 2].

Половой процесс происходит на барбарисе: пикнии выделяют сладкий нектар с запахом, привлекающий мух и жуков, которые переносят спермации между пикниями разных типов спаривания, — грибы, как цветковые растения, используют насекомых-опылителей. После сперматизации образуется дикарион, и всё остальное — эциоспоры, урединиоспоры, телиоспоры — несёт два ядра; кариогамия происходит в телиоспоре, мейоз — в базидии весной. На пшенице гриб размножается только бесполыми урединиоспорами, и за лето проходит до десятка поколений: именно они дают эпидемии [17].

Значение цикла — практическое. Половой процесс на барбарисе рождает новые расы ржавчины, преодолевающие устойчивость сортов; кампании по уничтожению барбариса в США (1918–1980-е) и в СССР резко замедлили появление новых рас, а там, где барбарис остался, — в Восточной Африке — в 1999 году возникла раса Ug99, поражающая почти все сорта мира. Ржавчина груши живёт на можжевельнике, ржавчина сосны — на смородине, и везде разрыв цикла — уничтожение промежуточного хозяина — остаётся главной мерой защиты [31].

Скрытый пол «бесполых» грибов

К 2000 году около пятой части описанных грибов числились бесполыми: пеницилл, аспергилл, фузариум, кандида, криптококк. Геномика заставила в этом усомниться: у «бесполых» видов оказались целы гены мейоза, феромонов и типов спаривания, а в популяциях — соотношение типов спаривания 1 : 1 и следы рекомбинации. Оставалось найти условия.

• Кандида (2000–2003). Кристина Халл и Александр Джонсон показали, что диплоидная кандида несёт локус MAT с генами a и α, и клетки, потерявшие один из них, спариваются — впервые это удалось увидеть в теле мыши. Полного мейоза у кандиды нет: тетраплоид, получившийся при слиянии, теряет хромосомы при митозах, возвращаясь к диплоидности, — парасексуальный цикл с «ущербным» мейозом. Спариваются только клетки в особом «матовом» состоянии (opaque), которое включается при 37 °C редко, — отсюда столетие «бесполости» [32, 33].
• Криптококк (2005). У возбудителя менингита в природе почти все изоляты одного типа, α, и спариваться им не с кем. Сяожун Линь и Джозеф Хайтман показали, что клетки α спариваются друг с другом: сливаются, ядра сливаются, проходит мейоз — половой процесс без партнёра другого типа, «однополый» [34].
• Возбудитель аспергиллёза (2009). Вид описан в 1863 году, и 145 лет никто не видел его сумок. Селин О’Горман и Пол Дайер свели изоляты противоположных типов на овсяном агаре в темноте — и через шесть месяцев получили клейстотеции с аскоспорами; потомство оказалось рекомбинантным. Открытие объяснило, откуда у гриба берутся новые сочетания генов устойчивости к азолам [11, 15].
• Промышленный пеницилл (2013). Группа Ульриха Кюка применила тот же рецепт — овсяный агар, темнота, биотин, партнёры разных типов — к Penicillium chrysogenum, бесполому «со времён Флеминга», и получила аскоспоры; скрещивания сразу пошли в дело: потомки сочетали высокий выход пенициллина с отсутствием жёлтого пигмента, мешавшего очистке [12].

Общий вывод этих работ: чисто бесполых грибов, вероятно, очень мало. Пол у них не утрачен, а скрыт — включается редко, в особых условиях, иногда без партнёра, но достаточно, чтобы популяция не была клоном. Для медицины это важно: там, где есть рекомбинация, устойчивость к лекарствам распространяется быстрее [15, 16].

Что мейоз грибов дал генетике

Четыре споры одной сумки — четыре продукта одного мейоза, и это сделало грибы незаменимыми для генетики. Тетрадный анализ позволил увидеть то, что у животных и растений скрыто статистикой: что аллели расходятся в мейозе ровно 2 : 2 (менделевская сегрегация в одной клетке), что иногда это правило нарушается — 3 : 1 — и такое отклонение, генная конверсия, оказалось следом репарации гетеродуплексной ДНК при кроссинговере; что кроссинговер происходит на стадии четырёх хроматид, а не двух. Упорядоченные тетрады нейроспоры дали способ измерить расстояние от гена до центромеры, а дрожжи — первый молекулярный механизм рекомбинации: модель двухцепочечного разрыва, построенную на дрожжевых тетрадах в 1983 году, затем подтвердили у всех эукариот, включая человека [23, 7].

На нейроспоре же открыт RIP — «точечные мутации, вызванные повторами»: перед мейозом гриб находит в геноме любые дублированные участки длиной от нескольких сотен пар нуклеотидов и засыпает обе копии мутациями, превращая их в нерабочий хлам. Это защита от мобильных элементов, и она настолько эффективна, что в геноме нейроспоры их почти нет, — но платой стала невозможность дуплицировать гены, главный путь появления новых генов у остальных эукариот. Ещё один механизм, мейотическое глушение, выключает в мейозе любой ген, у которого нет пары на гомологичной хромосоме, — так гриб защищается от чужеродных вставок [35].

Эгоистичные гены в мейозе

Мейоз справедлив: каждый аллель попадает в половину спор. Но некоторые гены научились его обманывать. У нейроспоры и подоспоры известны убийцы спор — участки хромосомы, которые при мейозе в гетерозиготе убивают те споры сумки, которые их не унаследовали: из восьми аскоспор выживают четыре, и все несут убийцу. Ген-убийца выделяет яд, а сам защищён противоядием; спора без него гибнет. Так эгоистичный элемент распространяется в популяции, не давая носителю никакого преимущества, — «мейотический драйв». У подоспоры гены-убийцы Spok образуют целые комплексы, и разные их сочетания определяют, кто кого убьёт в данном скрещивании [36, 37].

Другой «эгоист» — прион het-s подоспоры: белок, который умеет существовать в двух формах и передаёт форму по наследству, как прионы дрожжей; он участвует в вегетативной несовместимости и заодно объясняет, как белок может быть носителем наследственной информации. Грибы, с их открытым мейозом, оказались лучшим местом, где такие явления можно разглядеть.

Половой процесс на службе человека

Там, где у гриба есть половой процесс, человек ведёт селекцию, как у растений. Шампиньон — самый выращиваемый гриб мира — из-за вторичного гомоталлизма долго не поддавался скрещиванию: каждая спора давала готовый дикарион, и скрестить две линии было невозможно. Селекционеры научились выделять редкие одноядерные споры и в 1980 году вывели гибрид Horst U1 — белый шампиньон, от которого происходят почти все современные промышленные штаммы; патентные споры вокруг него идут до сих пор [21].

Вёшенку и шиитаке скрещивают через тетраполярную систему: выбирают совместимые одноядерные мицелии и соединяют их. Дрожжи для пива и вина — гибриды: лагерные дрожжи возникли в XV веке в Баварии от скрещивания пекарских дрожжей с холодолюбивым диким видом из Патагонии (Saccharomyces eubayanus), и сегодня новые гибриды создают намеренно, спаривая споры разных видов. Пеницилл после 2013 года тоже скрещивают, а в селекции сыродельных пенициллов и кодзи-аспергиллов используют типы спаривания, чтобы объединять свойства штаммов. Обратная задача — не дать грибу половой процесс: в хранилищах ржавчины и на полях уничтожают промежуточных хозяев, чтобы не плодить расы.

Частые вопросы

Есть ли у грибов самцы и самки? Нет. Есть типы спаривания — генетически совместимые партнёры, внешне одинаковые. Лишь у немногих водных грибов (моноблефарис) есть настоящие яйцеклетки и сперматозоиды, а у сумчатых — мужские и женские органы, но любой мицелий несёт и те и другие.

Мухомор — он или она? Ни то ни другое. Плодовое тело мухомора выросло из двуядерного мицелия, то есть из «супружеской пары» двух мицелиев разных типов спаривания; каждая его базидия сливает ядра обоих партнёров и даёт споры четырёх сочетаний.

Почему у гриба двадцать тысяч полов, а у нас два? У грибов цель типов спаривания — запретить самооплодотворение и при этом сделать партнёром почти любого встречного; для этого чем больше типов, тем лучше. У животных пол — это ещё и разделение труда между крупной яйцеклеткой и мелким сперматозоидом, а такая система устойчива только при двух полах.

Дрожжи размножаются половым путём? Да: гаплоидные клетки a и α спариваются, диплоид при голодании образует сумку с четырьмя спорами. В тесте и в пиве дрожжи почти всегда почкуются как диплоиды, и половой процесс незаметен.

Если гриб размножается спорами, зачем ему пол? Споры бывают и бесполые, и половые. Бесполые — копии родителя, для расселения в хорошие времена; половые — с новыми сочетаниями генов и толстой стенкой, для плохих времён и новых условий.

Что значит «гриб-гермафродит»? Обычно так называют гомоталлические грибы, способные к половому процессу в одиночку. Слово неточное: гермафродит — организм с органами обоих полов, а у гомоталлического гриба чаще просто оба типа спаривания в одном геноме или умение их переключать.

Что нужно знать к ЕГЭ

• половой процесс грибов — слияние клеток (плазмогамия), затем слияние ядер (кариогамия) и мейоз; у высших грибов между ними — двуядерная стадия;
• у мукора: гифы разных мицелиев («+» и «−») сливаются, образуется зигоспора; при её прорастании — мейоз и спорангий со спорами;
• у сумчатых грибов (дрожжи, пеницилл, сморчки, спорынья) после слияния ядер — мейоз и образование сумки с восемью аскоспорами (у дрожжей — с четырьмя);
• у базидиальных грибов (шляпочные, трутовики, головня, ржавчина) ядра сливаются в базидии; после мейоза на базидии образуются четыре базидиоспоры; споры на пластинках и в трубочках — результат полового процесса;
• мицелий шляпочного гриба, образующий плодовые тела, — двуядерный (дикарион), выросший из слияния двух гаплоидных мицелиев;
• полов у грибов нет, есть типы спаривания; мейоз у большинства грибов происходит сразу после слияния ядер, поэтому мицелий гаплоидный;
• дрожжи при неблагоприятных условиях размножаются половым путём: клетки сливаются, затем мейоз и сумка со спорами.

Для олимпиад

Тетрадный анализ. В упорядоченной сумке нейроспоры расположение 4 : 4 (AAAAaaaa) означает расхождение аллелей в первом делении мейоза — кроссинговера между геном и центромерой не было; расположение 2 : 2 : 2 : 2 или 2 : 4 : 2 — во втором делении, кроссинговер был. Расстояние ген — центромера в сантиморганах равно половине доли сумок второго типа (половине, потому что в каждой такой тетраде рекомбинантны лишь две хроматиды из четырёх): d = ½ · (число сумок второго деления / все сумки) · 100 %.

Вероятность совместимости. Биполярная система с двумя типами: случайная пара совместима с вероятностью 1/2, споры одной сумки — тоже 1/2. Тетраполярная с n_A и n_B аллелями: случайная пара — (1 − 1/n_A)(1 − 1/n_B); для шизофиллума (300 и 80) — около 0,984; споры одной базидии — только 1/4 сочетаний, потому что из четырёх спор (A1B1, A1B2, A2B1, A2B2) совместимы лишь пары, различные по обоим локусам.

Отрицательный частотно-зависимый отбор. Редкий аллель локуса типа спаривания совместим с большей долей популяции, чем частый, и его частота растёт, пока не сравняется с остальными; поэтому аллели типов спаривания — одни из самых древних полиморфизмов: у шизофиллума линии аллелей A разошлись до разделения видов рода. Тот же механизм поддерживает аллели гистосовместимости у позвоночных и самонесовместимости у растений.

Кассетная модель. Переключение типа у дрожжей — программируемая генная конверсия: HO-эндонуклеаза делает двухцепочечный разрыв в MAT, репарация копирует донорскую кассету. Выбор донора неслучаен: клетки a копируют преимущественно HMLα, клетки α — HMRa (система «усилителя рекомбинации» на левом плече хромосомы III). Переключается только материнская клетка в G1 — асимметрия обеспечена мРНК ASH1, доставляемой в почку.

Мейотический драйв. Убийца спор в гетерозиготе Sk/sk даёт сумки с четырьмя живыми спорами, все Sk; при полной эффективности частота Sk в популяции растёт по формуле p′ = p / (p + (1 − p)/2) за поколение скрещиваний между носителями и неносителями, пока элемент не зафиксируется или не появится устойчивый аллель. У подоспоры несколько генов Spok с разной силой образуют иерархию: сильный убивает споры без него, слабый — только при отсутствии сильного.

Выстрел базидиоспоры. Капля Буллера объёмом порядка 10⁻¹⁵ л сливается с плёнкой на споре за микросекунды; импульс капли передаётся споре массой около 10⁻¹³ кг, разгоняя её до ~1 м/с; при тормозном пути 0,1 мм в воздухе среднее отрицательное ускорение a = v²/(2s) = 1/(2·10⁻⁴) = 5000 м/с² ≈ 500 g — спора останавливается, не долетев до соседней пластинки.

Задания с разбором

Задание 1

Назовите три этапа полового процесса грибов и объясните, чем их последовательность отличается от оплодотворения у животных.

Задание 2

Что такое типы спаривания и чем они отличаются от полов? Что открыл Блейксли и почему назвал штаммы «плюс» и «минус»?

Задание 3

Сравните гомоталлизм, биполярную и тетраполярную гетероталлию: генетическая основа, доля совместимых пар среди чужих и среди спор одного плодового тела, примеры.

Задание 4

Как дрожжевая клетка меняет тип спаривания? Почему переключается только материнская клетка и зачем это нужно?

Задание 5

Что такое идиоморфы? Какие функции выполняют продукты локуса типа спаривания у нейроспоры?

Задание 6

Опишите три семейства половых феромонов грибов и особенность синтеза триспоровых кислот.

Задание 7

Перечислите пять способов плазмогамии у грибов с примерами и расположите их в порядке, отражающем эволюцию.

Задание 8

Как крючок аскомицетов и пряжка базидиомицетов обеспечивают правильное деление дикариона? Чем они различаются по судьбе?

Задание 9

Проследите события в сумке нейроспоры от двуядерной клетки до восьми спор. Почему споры лежат в ряд и что это даёт генетику?

Задание 10

Как базидиоспора отделяется от базидии? Почему пластинки гриба должны быть вертикальны и как гриб это обеспечивает?

Задание 11

Опишите половой процесс мукора. Где проходят кариогамия и мейоз, и какие споры образуются при прорастании зигоспоры?

Задание 12

Опишите цикл стеблевой ржавчины пшеницы: пять типов спор, хозяева, ядерные фазы, место кариогамии и мейоза. Почему уничтожение барбариса замедляет появление новых рас?

Задание 13

Почему аспергилл, пеницилл, кандиду и криптококк считали бесполыми и как у каждого нашли половой процесс?

Задание 14

Что такое RIP и убийцы спор? Какую цену платит нейроспора за защиту от повторов?

Задание 15 (олимпиадное)

При скрещивании нейроспоры дикого типа с мутантом по гену окраски спор из 200 упорядоченных сумок 36 показали расположение второго деления (2 : 2 : 2 : 2 или 2 : 4 : 2), остальные — 4 : 4. Определите расстояние от гена до центромеры. Почему результат нужно делить пополам?

Задание 16 (олимпиадное)

У шизофиллума в популяции 300 аллелей локуса A и 80 аллелей локуса B, все равной частоты. Найдите вероятность, что два случайно взятых одноядерных мицелия совместимы (должны различаться по обоим локусам). Найдите ту же вероятность для двух спор одной базидии и для биполярного гриба с двумя типами спаривания. Объясните эволюционный смысл различия.

Литература

1. de Bary A. Vergleichende Morphologie und Biologie der Pilze, Mycetozoen und Bacterien. Leipzig: W. Engelmann, 1884.
2. Ainsworth G. C. Introduction to the History of Mycology. Cambridge: Cambridge University Press, 1976.
3. Blakeslee A. F. Sexual reproduction in the Mucorineae // Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 1904. Vol. 40. P. 205–319.
4. Kniep H. Über morphologische und physiologische Geschlechtsdifferenzierung // Verhandlungen der Physikalisch-medizinischen Gesellschaft zu Würzburg. 1920. Bd. 46. S. 1–18.
5. Buller A. H. R. Researches on Fungi. Vol. IV. London: Longmans, Green and Co., 1931.
6. Raper J. R. Genetics of Sexuality in Higher Fungi. New York: Ronald Press, 1966.
7. Lindegren C. C. The Yeast Cell, Its Genetics and Cytology. St. Louis: Educational Publishers, 1949.
8. Hicks J., Strathern J. N., Herskowitz I. Interconversion of yeast mating types III. Action of the homothallism (HO) gene in cells recovered from imposed diploidy // Genetics. 1977. Vol. 85. P. 395–405.
9. Metzenberg R. L., Glass N. L. Mating type and mating strategies in Neurospora // BioEssays. 1990. Vol. 12. P. 53–59.
10. Casselton L. A., Olesnicky N. S. Molecular genetics of mating recognition in basidiomycete fungi // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 1998. Vol. 62. P. 55–70.
11. O'Gorman C. M., Fuller H. T., Dyer P. S. Discovery of a sexual cycle in the opportunistic fungal pathogen Aspergillus fumigatus // Nature. 2009. Vol. 457. P. 471–474.
12. Böhm J., Hoff B., O'Gorman C. M. et al. Sexual reproduction and mating-type-mediated strain development in the penicillin-producing fungus Penicillium chrysogenum // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2013. Vol. 110. P. 1476–1481.
13. Otto S. P. The evolutionary enigma of sex // American Naturalist. 2009. Vol. 174. P. S1–S14.
14. Heitman J., Sun S., James T. Y. Evolution of fungal sexual reproduction // Mycologia. 2013. Vol. 105. P. 1–27.
15. Dyer P. S., O'Gorman C. M. Sexual development and cryptic sexuality in fungi: insights from Aspergillus species // FEMS Microbiology Reviews. 2012. Vol. 36. P. 165–192.
16. Ni M., Feretzaki M., Sun S., Wang X., Heitman J. Sex in fungi // Annual Review of Genetics. 2011. Vol. 45. P. 405–430.
17. Webster J., Weber R. W. S. Introduction to Fungi. 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.
18. Alexopoulos C. J., Mims C. W., Blackwell M. Introductory Mycology. 4th ed. New York: John Wiley & Sons, 1996.
19. Kronstad J. W., Staben C. Mating type in filamentous fungi // Annual Review of Genetics. 1997. Vol. 31. P. 245–276.
20. Kües U. From two to many: multiple mating types in Basidiomycetes // Fungal Biology Reviews. 2015. Vol. 29. P. 126–166.
21. Sonnenberg A. S. M., Baars J. J. P., Gao W., Visser R. G. F. Developments in breeding of Agaricus bisporus var. bisporus: progress made and technical and legal hurdles to take // Applied Microbiology and Biotechnology. 2017. Vol. 101. P. 1819–1829.
22. Herskowitz I. Life cycle of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae // Microbiological Reviews. 1988. Vol. 52. P. 536–553.
23. Perkins D. D. Neurospora: the organism behind the molecular revolution // Genetics. 1992. Vol. 130. P. 687–701.
24. Kothe E. Tetrapolar fungal mating types: sexes by the thousands // FEMS Microbiology Reviews. 1996. Vol. 18. P. 65–87.
25. Austin D. J., Bu'Lock J. D., Gooday G. W. Trisporic acids: sexual hormones from Mucor mucedo and Blakeslea trispora // Nature. 1969. Vol. 223. P. 1178–1179.
26. Machlis L., Nutting W. H., Rapoport H. The structure of sirenin // Journal of the American Chemical Society. 1968. Vol. 90. P. 1674–1676.
27. Гарибова Л. В., Лекомцева С. Н. Основы микологии: морфология и систематика грибов и грибоподобных организмов. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2005.
28. Kendrick B. The Fifth Kingdom. 3rd ed. Newburyport: Focus Publishing, 2000.
29. Deacon J. W. Fungal Biology. 4th ed. Malden: Blackwell Publishing, 2006.
30. Pringle A., Patek S. N., Fischer M., Stolze J., Money N. P. The captured launch of a ballistospore // Mycologia. 2005. Vol. 97. P. 866–871.
31. Fisher M. C., Henk D. A., Briggs C. J. et al. Emerging fungal threats to animal, plant and ecosystem health // Nature. 2012. Vol. 484. P. 186–194.
32. Hull C. M., Raisner R. M., Johnson A. D. Evidence for mating of the "asexual" yeast Candida albicans in a mammalian host // Science. 2000. Vol. 289. P. 307–310.
33. Bennett R. J., Johnson A. D. Completion of a parasexual cycle in Candida albicans by induced chromosome loss in tetraploid strains // EMBO Journal. 2003. Vol. 22. P. 2505–2515.
34. Lin X., Hull C. M., Heitman J. Sexual reproduction between partners of the same mating type in Cryptococcus neoformans // Nature. 2005. Vol. 434. P. 1017–1021.
35. Selker E. U., Cambareri E. B., Jensen B. C., Haack K. R. Rearrangement of duplicated DNA in specialized cells of Neurospora // Cell. 1987. Vol. 51. P. 741–752.
36. Turner B. C., Perkins D. D. Spore killer, a chromosomal factor in Neurospora that kills meiotic products not containing it // Genetics. 1979. Vol. 93. P. 587–606.
37. Vogan A. A., Ament-Velásquez S. L., Granger-Farbos A. et al. Combinations of Spok genes create multiple meiotic drivers in Podospora // eLife. 2019. Vol. 8. e46454.