2.2.1. Внутривидовые взаимодействия

Эти взаимодействия весьма важны в жизни многих грибов и водорослей. Без них, по-видимому, было бы невозможно нормальное протекание жизненного цикла многих из них.

Практически почти все аспекты биологии низших растений - половое размножение, онтогенез, регуляция плотности популяции - демонстрируют участие экологических хемомедиаторов и хеморегуляторов.

Рассмотрим следующие вопросы: 1) половые феромоны; 2) онтогенез клеточных слизевиков; 3) аутоингибиторы одноклеточных водорослей.

Таблица 3. Примеры ауторегуляторов грибов и слизевиков (но данным А. С. Хохлова [1988]; и др.)

Половые феромоны и аттрактанты. В жизненном цикле водорослей и грибов существенную роль играет слияние двух гаплоидных клеток. Для привлечения этих клеток друг к другу большое значение имеют химические вещества, которые называют половыми феромонами, мейтинг-феромонами (mating pheromones) или просто аттрактантами (табл. 3).

Так, женские гаметы гриба Allomyces (из класса Chytridiomy- cetes) выделяют половой аттрактант для мужских гамет, названный сиренином (С₁₅Н₂₄О₂, молекулярная масса 236, действует в концентрации 10^-10 М).

Исследовались также феромоны дрожжей рода Rhodosporidium (см., например, [Miyakawa et al., 1982]). У R. toruloides конъюгация между двумя гаплоидными клетками типа А и типа а проходит при посредстве специфических мейтииг-феромонов. Структура феромона, образуемого клетками типа А, установлена; им является S-фарнезил-ундекапептид.

Факт существования феромонов или аттрактантов подооного типа обнаружен для многих видов грибов, в том числе для Saccharomyces cerevisiae, но структура соответствующих веществ расшифрована лишь для немногих случаев.

Показано существование двух типов (mating types) гаплоидных клеток дрожжей Saccharomyses cerevisiae: тип а и тип α. Конъюгация клеток типа а и типа а приводит к образованию диплоидной зиготы a/α. Для успешного протекания конъюгации необходимы два пептидных феромона, секретируемых обоими типами клеток. Клетки типа а секретируют а-фактор, который изменяет физиологию клеток типа α и подготавливает их для конъюгации. Вспомогательные гены, необходимые для конъюгации, ранее получили обозначение STE-гены. Хаген и Спраг [Hagen, Sprague, 1984] показали, что а-фактор индуцирует быстрое увеличение экспрессии гена STE 3 в клетках типа α (этот ген экспрессируется только в α-клетках), причем индукция синтеза РНК STE 3 наблюдалась даже при блокировании синтеза белка циклогексимидом.

Половая агглютинация а- и α-клеток обеспечивается наличием на их поверхности гликопротеинов (23 и 130 тыс. Да соответственно). Добавление к а- и α-клеткам гликопротеина противоположного типа делало эти клетки неспособными в дальнейшем к половой агглютинации [Hagiya et al., 1983].

Установлено наличие феромоноподобного фактора у дрожжей Schizosaccharomyces pombe; этот фактор, названный h^-- фактором, продуцируют клетки типа h^-. Интересно, что для функционирования механизма реагирования клеток дрожжей на этот фактор необходим продукт гена ras 1, который является гомологом онкогена ras млекопитающих [Fukui et al., 1986]. Биологический смысл этого пока неясен.

Половое размножение водного гриба Achlya ambisexualis протекает с участием двух стероидных феромонов - антеридиола (синтезируется и выделяется женскими гифами; вызывает рост и дифференцировку мужских половых органов) и оогониола (продуцируется мужскими половыми органами, вызывает формирование женских половых органов, оогониев). В 1984 г. в цитозоле мужских клеток был обнаружен белок, связывающий антеридиол, который может представлять собой эндогенный рецептор для этого стероидного феромона [Riehl et al., 1984]. Возможно, дальнейшее изучение этого белкового рецептора поможет лучше понять проблемы рецепции стероидных гормонов у других организмов, в том числе млекопитающих и человека.

Установлена структура феромонов, индуцирующих образование зигофоров (половых гиф) у ряда зигомицетов (класс Zygomycetes) из порядка мукоровых грибов (Mucorales), а именно Phycomyces blakesleeanus, Blakeslea trispora, Mucor mucedo. В (+) культурах двух последних видов найдены феромоны метил-4-дигидротриспораты и метилтриспораты, в (-) культурах - триспоролы и триспорины. При биоиспытаниях на двух из этих видов, Р. blakesleeanus и М. mucedo, была показана зигофороиндуцирующая способность еще одного вещества - метилтриспората Е [Miller, Sutter, 1984]. Возможно, что метилтриспорат Е служит половым феромоном у некоторых мукоровых грибов (рис. 1).

Рис. 1. Феромоны (половые аттрактанты) низших растений 1 - эктокарпен (ectocarpene); 2 - мультифиден (multifidene); 3 - фукосерратен (fucoserraten); 4 - аукантен (aucantene); 5 - ламоксирен (lamoxirene); 6 - метилтриспо- рат Е (methyl trisporate Е) [Marner et al., 1984; Miller, Sutter, 1984; и др.]

Аттрактанты, привлекающие сперматозоиды к женской гамете, найдены у многих водорослей-макрофитов (табл. 4).

Зрелые женские гаметы нескольких видов ламинариевых водорослей (Laminariales) и водорослей порядка Desmarestiales выделяют феромоны, которые вызывают высвобождение сперматозоидов из созревших антеридиев (специальных половых органов), а также служат аттрактантом для сперматозоидов. Один из этих феромонов является эпоксипроизводным десмарестена (ранее найденного у бурых водорослей Desmarestia aculeata полового аттрак- танта, родственного эктокарпену), назван ламоксиреном и идентифицирован как 1-(1',2'-цис-эпоксибут-3'-енил) циклогепта-2,5- диен [Marner et al., 1984].

Порог чувствительности андрогамет бурых водорослей к хемомедиаторам весьма низок. Так, для андрогамет Ectocarpus silicu- losus порог чувствительности к эктокарпену составляет 0,89 нмоль/л, для андрогамет Cutleria multifida - 8,9 нмоль/л [Boland et al., 1983]. Безусловно, такая высокая чувствительность имеет эколого-эволюционное значение.

Невыясненная проблема - возможность химических взаимодействий между различными видами водорослей в результате частичного перекрывания феромонных "букетов" (отсутствия строгой видоспецифичности феромонов). Не исключено, что воздействия молекул феромонов, продуцируемых одним видом, на андрогаметы другого вида, могут нести функцию химического нарушения репродукции другого вида, т. е. функцию химического оружия и химической борьбы за те или иные ресурсы среды (Boland et al., 1983).

Феромоны обнаружены не только у бурых, но и у зеленых водорослей. Так, половая дифференциация репродуктивных клеток (гонидий) зеленой водоросли Volvox carteri и последующее половое размножение этой водоросли индуцируются при поступлении в водную среду феромона, вырабатываемого половыми мужскими сфероидами (sexual male spheroids) и являются гликопротеипом с молекулярной массой 30 000 [Gilles et al., 1984].

Таблица 4. Некоторые половые аттрактанты водорослей

Онтогенез клеточных слизевиков. Химические вещества-посредники необходимы для нормального протекания онтогенеза миксомицетов. В онтогенезе диктиостелиума - Dictyostelium есть переход от амебоидной стадии к стадии многоклеточных псевдоплазмодиев, при котором клетки аггрегируют в один псевдоплазмодий. В регуляции этого перехода у четырех видов диктиостелиума, в том числе D. discoideum, участвует хемоаттрактант, выделяемый клетками во внешнюю среду,-циклический АМФ (цАМФ). В мембранах клеток найден особый рецептор для цАМФ. Для хемотактического реагирования клеток достаточно низкой концентрации цАМФ - всего 10^-6-10^-7 М. Есть указания на то, что для хемотаксиса диктиостелиума немаловажны фолиевая кислота и пте- рин; в мембранах найден фолатпый рецептор.

Показано, что фолиевая кислота и цАМФ вызывают сходные эффекты: хемотаксис, синтез цГМФ и цАМФ, секрецию цАМФ. Восприятие клетками сигналов, инициированных внешним химическим веществом,- весьма сложный процесс, на что указывает наличие нескольких типов мест связывания фолатов: сайты А узнают фолиевую и 2-диаминофолиевую кислоты, сайты В и С предпочтительно связывают Nio-метилфолиевую и фолиевую кислоты. Выделяются также подклассы мест связывания фолатов: BF, Bs, Bss, CF, Cs [De Wit, Bulgakov, 1986a, b].

He исключено, что в случае диктиостелиума переход от одноклеточной стадии к многоклеточной может рассматриваться (конечно, со многими оговорками) как модель эволюционного перехода от одноклеточности к многоклеточности, причем особенно интересна здесь роль цАМФ, который до этого перехода выступает как внеклеточный хемомедиатор, а после перехода к много- клеточности (у современных позвоночных) действует уже как один из важнейших внутриорганизменных биорегуляторов. Ситуацию с диктиостелиумом необходимо принимать во внимание при изучении эволюции хемоаттрактантов и гормональной системы.

Еще одно вещество, так называемый фактор, индуцирующий дифференциацию (differentiation inducing factor, DIF, или ДИФ), необходимо для нормального онтогенеза Dictyostelium discoideum. В 1987 г. Моррис и соавт. (Morris et al., 1987) установили структуру ДИФ-1, основного компонента этого фактора. Он имеет небольшую массу. (306,04), атомный состав С₁₃Н₁₆O₄С₁₂ и по своей структуре является 1-(3,5-дихлор-2,6-диокси-4-метоксифенил)- 1-гексанопом. Диализуемый фактор ДИФ-1 способен экзогенно воздействовать на тест-клетки диктиостелиума, на чем основано его биотестирование. Наличие экзогенного эффекта ДИФ-1 на клетки указывает, что он может действовать как внеклеточный хемомедиатор, передающий сигнал от клетки к клетке. При изучении онтогенеза сигнальные молекулы называют морфогенами (morphogens). Изучение ДИФ-1 порождает вопрос о том, в какой мере возможны эволюционная связь и преемственность между экологическими хемомедиаторами и морфогенами.

Аутоингибирование фитопланктона. При выращивании культур некоторых фитопланктонных водорослей обнаружено, что добавление в культуральную среду фильтрата старой культуры той же водоросли подавляет рост изучаемой культуры. Детальные опыты показали, что в культуральной жидкости накапливаются вещества-аутоиигибиторы, которые подавляют рост водоросли - продуцента этих веществ. Действие подобных веществ обнаруживается, если в течение соответствующего времени регистрировать скорость размножения, выраженную как увеличение числа клеток в 1 ч на 1 клетку культуры. Этот показатель постепенно падает, как полагают, не без участия аутотоксичных веществ.

Данное действие аутотоксичных веществ может рассматриваться как один из простейших примеров саморегуляции популяции; благодаря такой саморегуляции популяция избегает экспоненциального (или вообще неограниченного) роста, который был бы катастрофичным в условиях ограниченности ресурсов среды или, иначе говоря, ограниченной экологической емкости местообитания.

Значительный вклад в изучение ингибиторов роста клеток фитопланктона, например хлореллы, внес Пратт, начавший публиковать работы по этому вопросу в 1940 г. (см. [Райс, 1978]).