пичные одиночные микроорганизмы. Их взаимодействие друг с другом проявляется только в конкуренции за пищу (за запасы бактерий). Но когда запасы пищи истощаются и миксамебы переходят в стационарную фазу, они активно взаимодействуют друг с другом, образуя многоклеточные тела — новые обособленные организмы. Клетки перемещаются к центрам агрегации и образуют многоклеточные агрегаты. В дальнейшем каждый агрегат может развиваться по одному из двух направлений (рис. 8-1). Под влиянием определенных условий среды, о которых речь пойдет ниже, многоклеточный агрегат может остаться на месте и в результате сложных перемещений клеток сразу же превратиться в плодовое тело. Верхняя часть плодового тела заполнена спорами, взвешенными в очень вязкой жидкости, а нижняя представляет собой стебелек, состоящий из вакуолизированных клеток, напоминающих клетки стебля у растений, — полый конусообразный целлюлозный стержень. В основании плодового тела находится ба-зальный диск, состоящий из вакуолизированных клеток, плотно соединенных друг с другом и образующих толстый целлюлозный матрикс. Другой путь преобразования агрегата — развитие многоклеточного слизевика. В этом случае на одной стороне агрегата образуется вертикальный пальцеобразный вырост, который постепенно одной стороной опускается на субстрат и превращается в червеобразного слизевика. Слизень может различное время перемещаться по субстрату со скоростью около 2 мм/ч. В конце концов он останавливается и возобновляет формирование плодового тела.

Пунктиром окружены микроспоры. Цифрами указаны часы, прошедшие после того, как популяция миксамеб перешла в стационарную фазу роста.

Мутантыые штаммы

Для получения клонов D. discoideum на агаровую пластинку наносят несколько капель жидкости, содержащих бактерии и небольшое число (до сотни) спор или миксамеб. Бактерии быстро растут и образуют сплошной непрозрачный слой. Тем временем каждая миксамеба (или проросшая спора) растет и делится, а ее потомство, питаясь бактериями, «проедаете отверстие в слое бактерий. По мере увеличения числа миксамеб отверстие, или бляшка, увеличивается. Миксамебы, находящиеся на краю бляшки, продолжают питаться и расти, а те, которые смещаются к центру, прекращают рост, агрегируют и образуют плодовые тела. При внимательном просмотре нескольких тысяч клонов были обнаружены и выделены мутаптные линии D. discoideum, с интересными нарушениями процесса развития. Были найдены следующие типы мутаций:

1. Мутанты, которые образуют необычные плодовые тела. Так, плодовое тело может быть раздвоенным, изогнутым, стекловидным, гладким, кустистым, карликовым и т. д., или оно может быть в разной степени пигментированным, но споры и клетки сте^-белька выглядят нормально.

2. Мутанты, у которых образуется только один тип дифференцированных клеток. Плодовое тело м*ожет состоять из длинного стебелька и не содержать спор или содержать единичные. У других линий плодовое тело превращается в шар, состоящий из спор, лежащий на субстрате без стебелька и базального диска.

3. Мутанты, развитие которых блокируется на определенной стадии. Некоторые линии не начипают агрегировать и после окончания роста остаются на стадии миксамебы; другие могут образовать округлые многоклеточные агрегаты, по не развиваются дальше; третьи могут достигнуть стадии мигрирующих слизевиков и пикогда не образуют плодовых тел.

4. Мутанты, у которых нарушены временные параметры развития, т. е. часть процессов развития или все оно происходит очень быстро или очень медленно.

Интересно заметить, что почти все эти мутанты растут совершенно нормально, а все дефекты обнаруживаются только при образовании плодовых тел. Это дает основание предполагать, что му-тантные гены не функционируют во время роста, а включаются только в период образования плодовых тел.

Многие исследователи склоняются к предположению о том, что в клетках, которые могут развиваться в нескольких направлениях, существуют блоки генов для каждого из пих (подробное обсуждение см. в гл. 15).

Рост и образование плодового тела — взаимоисключающие

программы развития

Рассмотрим следующий эксперимент. В жидкой питательной среде выращивали три одинаковые культуры миксамеб D. discoi-deum. Клетки первой культуры (А) взяли в опыт, когда они находились в середине логарифмической фазы роста. Клетки второй культуры (Б) взяли в тот момент, когда они прекратили рост и только что перешли в стационарную фазу. Клетки третьей культуры (В) были взяты приблизительно через шесть часов после того,

А

или Б

О

8ч_

18ч

в

О

2ч

12ч

Рис. 8-2. Переключение программы роста и деления на программу агрегации клеток и образования плодового тела.

А. КЛЕТКИ ВЗЯТЫ СО СРЕДИНЫ ФАЗЫ ЛОГАРИФМИЧЕСКОГО РОСТА. Б. КЛЕТКИ ВЗЯТЫ В НАЧАЛЕ СТАЦИОНАРНОЙ ФАЗЫ. В. КЛЕТКИ ВЗЯТЫ ЧЕРЕЗ 6 Ч ПОСЛЕ ПЕРЕХОДА В ФАЗУ СТАЦИОНАРНОГО .РОСТА.

как они прекратили рост. Во всех вариантах опытов клетки отмыли от питательной среды. Пробы, содержащие по 108 клеток, поместили на небольшие кружки фильтровальной бумаги. Их положили в чашки Петри на пористые диски, пропитанные раствором неорганических солей и фосфатным буфером. Чашки инкубировали при температуре 22°С и время от времени просматривали. Полученные результаты приведены на рис. 8-2. Каждая популяция из: 108 клеток независимо от того, брали ли в опыт клетки культур А, Б или В, образует приблизительно тысячу агрегатов одинакового размера (каждый содержит 105 клеток), и все они синхронно» формируют плодовые тела. Клетки из культур А и Б проделали это с одинаковой скоростью, как показано па рис. 8-1, и завершили процесс з*а 24 ч. В культуре В клетки начали агрегировать почти сразу же после того, как их высадили на фильтры. Через 2 ч они были на той же стадии, для достижения которой клеткам культур А и Б потребовалось 8 ч. С этого момента агрегаты культуры В продолжали развиваться с обычной скоростью и образовали нормальные плодовые тела за 18 ч — на 6 ч быстрее, чем А й Б. На основании этих результатов можно высказать несколько предположений. (Остановитесь на минутку и попытайтесь сами сделать выводы, затем прочтите мои.)

1. Миксамебы агрегируют и формируют плодовые тела только в том случае, если они не могут расти. Так, клетки культуры А, собранные в середине логарифмической фазы роста и помещенные на фильтры, в отсутствие питательных веществ переходят к образованию плодовых тел. Клетки культуры Б, оставшиеся на питательной среде, продолжают расти.

2. Прекратив рост, клетки тут же начинают готовиться к образованию плодового тела. Так, клетки, находившиеся до опыта приблизительно на середине логарифмической фазы роста (А) или в конце (Б), формируют плодовые тела с одинаковой скоростью. Клетки культуры В вышли из логарифмической фазы роста шесть часов назад и начали подготовку к агрегации, еще находясь в питательной среде. Ко времени начала опыта они уже «работали» по программе образования плодового тела б ч.

3. Клетки могут образовывать плодовые тела в отсутствие всех внешних источников энергии и питательных веществ, используя собственные запасы.

Рассмотрим другой опыт. Клетки были перенесены на фильтры, как это описано выше, и 18 ч строили плодовые тела. Образовавшиеся агрегаты собрали с фильтров и дезагрегировали па клетки, энергично встряхивая их в течение длительного времени. Затем часть клеток (А) снова перенесли на фильтр (число клеток такое же, как и в первый раз). К другой части клеток добавили суспензию бактерий и перенесли их па фильтр (Б). Результат: в культуре А клетки тут же реагрегировали и быстро прошли тот путь, который они уже однажды преодолели, так что приблизительно через три часа они вновь оказались на стадии 18 ч. Формирование плодовых тел они завершили с обычной скоростью. В культуре Б клетки реагрегировали не сразу. Они питались бактериями и возобновили рост и делепие. Только после того, как запас бактерий был исчерпан и рост прекратился, они начали образовывать плодовые тела, и, как обычно, для этого им потребовалось 24 ч. Полученные результаты позволяют сделать по крайней мере два вывода (остановитесь и подумайте сами).

1. Если наполовину сформировавшиеся плодовые тела дезагрегировать на клетки и перенести их в условия, при которых

они могут расти, то клетки тут же прекратят образование плодового тела и возобновят рост. Если после дезагрегации клетки перенести в условия, в которых они не смогут расти, то они ре агрегируют

и возобновят образование плодового тела.

2, В последнем случае в течение нескольких часов завершаются преобразования, на которые в первый раз пришлось затратить 18 ч. Очевидно поэтому, что, когда морфогенез происходит

впервые, он сопровождается изменениями, которые нельзя обнаружить, изучая морфологию агрегатов, т. е. биохимическими и структурными изменениями внутри клеток.

Некоторые биохимические изменения, сопровождающие образование плодового тела

Клетки зрелого плодового тела резко отличаются от клеток, начавших формировать многоклеточные агрегаты. Различие так велико, что трудно поверить, что это одни и те же клетки.

На определенных стадиях образования плодового тела клетки синтезируют ряд полисахаридов: целлюлозу, гликоген, кислые мукополисахариды и один дисахарид. Полисахариды являются составной частью наружной оболочки стебелька и наружных стенок клеток, из которых состоят стебелек и споры. Дисахарид — трегалоза 1 — запасается в спорах как источник углерода и энергии и используется во время прорастания спор. Все эти вещества составляют около 20% сухого веса плодовых тел. ?

Во время образования плодовых тел практически все старые белки разрушаются и замещаются новыми, синтезируемыми на определенных стадиях развития. Некоторые из этих белков представляют собой ферменты, отсутствующие в вегетативных клетках или присутствующие там в очень небольших количествах. Это накопление новых белков сопровождается синтезом новых РНК. Практически вся РНК (включая рибосомы) распадается и замещается новой.

Все эти измепения и сложные движения клеток, сопровождающие образование плодового тела, требуют огромного расх