Тонкости воспроизводства гибридогенных форм зелёных лягушек

Print PDF

Лет пять назад Александр Кузнецов написал про идеи Докинза «Эгоистичный мул», кольнул, так сказать, в больное. Важно подчеркнуть, что это именно дружеский шарж на идеи Докинза, а не испепеляющая сатира (как пытался представить — вопреки предупреждению автора — Е.Н.Панов). Потому что описанная ситуация присутствует и в природе, например, в явлениях кредитогенеза у рыб, амфибий и ряда других групп, когда гибридогенный вид в каждом поколении ресинтезируется заново, для чего «эгоистично» эксплуатирует оба родительских. Такой способ размножения назвали кредитогенезом.

Особи гибридогенных видов хоть и не стерильны, как мулы, но геном одного из родителей полностью элиминируется при гаметогенезе, и для ресинтеза видового фенотипа в следующем поколении они должны спариваться с одним из родителей. См. слайды 10, 27-28 в презентации Л.Я.Боркина: «Сетчатое видообразование — эволюция не по Дарвину?».

Ещё более изощрённую форму «ресинтеза» гибридогенной формы исследовал Дмитрий Викторович Дедух (кафедра цитологии и гистологии СПбГУ) у зелёных лягушек, о чём делал доклад на конференции «Ломоносов — 2016″, на пленарном заседании секции «Биология». Тезисы доклада см. тут, стр. 120; с разрешения автора воспроизведу его содержание по аудиозаписи и материалам презентации.

«Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Тема моего доклада – «Отклонения в гаметогенезе обеспечивают воспроизводство межвидовых гибридов в комплексе зеленых лягушек»

Межвидовая гибридизация обычно приводит к гибели гибридных животных или их стерильности из-за нарушения хромосом разных родительских видов. Однако некоторые виды способны не только выживать, но и формировать жизнеспособные гаметы. Такие гибриды были обнаружены в комплексе среднеевропейских зеленых лягушек (Pelophylax esculentus complex).

Этот комплекс включает два родительских вида: Pelophylax lessonae (прудовая лягушка) и Pelophylax ridibundus (озёрная лягушка). А также их гибридных форм – Pelophylax esculentus (съедобная лягушка), которая образуется в результате скрещивания этих двух родительских видов. Помимо диплоидной формы, существуют также две триплоидные формы с двумя геномами ridibundus и геномом lessonae и с двумя геномами lessonae и одним геномом ridibundus. Геном соматических клеток – диплоидный гибридный – состоит из хромосомных наборов обоих родителей, он содержит 13 хромосом Pelophylax ridibundus и 13 хромосом Pelophylax lessonae.

Однако в ходе гаметогенеза происходит удаление одного из хромосомных наборов, после чего другой геном удваивается, что позволяет ему пройти нормальный мейоз, чтобы сформировать гаплоидные гаметы. Считается, что удаление этого генома не случайно и определяется тем родительским видом, с которым живет гибрид. Так, популяционная  система, где гибрид обитает с особями Pelophylax lessonae, он удаляет геном Pelophylax lessonae и формирует гаметы с геномом другого родительского вида, чтобы после оплодотворения возникла гибридная лягушка. Такие системы, где гибрид обитает с особями Pelophylax lessonae, распространены достаточно широко и неплохо изучены.

В других случаях, когда гибрид обитает с особями другого родительского вида, изучены гораздо меньше. И предполагается, что в таких популяционных системах гибрид удаляет геном ridibundus и формирует гаметы с геномом Pelophylax lessonae, чтобы в основном сформировать гибридную лягушку.

Таким образом, основной целью нашей работы было показать, так ли это в популяционных системах, где гибрид обитает с особями Pelophylax ridibundus. Кроме того, в исследуемых популяционных системах обитают два типа триплоидных гибридов. И нашей следующей задачей была характеристика процессов удаления и процессов удвоения геномов родительских видов в ходе гаметогенеза диплоидных и триплоидных гибридов, а также нам нужно было показать роль этих процессов в возникновении гамет и возникновении жизнеспособного потомства.

Вообще для того, чтобы изучать гаметогенез гибридных лягушек, необходимо идентифицировать геном, который передается в гаметы. Вообще изучать геном гамет самок гораздо сложнее, но так как мы не ищем легких путей, мы провели анализ хромосом типа ламповых щёток, которые формируются в растущих ооцитах, и смогли идентифицировать видоспецифические различия между хромосомами обоих родительских видов, что позволило нам идентифицировать геном, который передается в гаметы гибридов. Кроме того, мы обнаружили различия в локализации интерстициальных сайтов теломерного повтора на хромосомах родительских видов.

Так, у Pelophylax ridibundus  обнаружено два интерстициальных сайта, у Pelophylax lessonae – один сайт, поэтому у гибридов диплоидных на одной хромосоме будет один сайт, на другой – два интерстициальных сайта. В результате анализа хромосом типа ламповых щёток у диплоидных гибридов мы обнаружили, что все они содержат 13 бивалентов, соответствующих геному Pelophylax ridibundus. Таким образом, мы можем предположить стадию гаметогенеза у диплоидных гибридов.

Мы можем предположить, что для формирования ооцитов с 13 бивалентами произошла элиминация генома lessonae, в то время как оставшийся геном Pelophylax ridibundus  прошёл удвоение и сформировал ооциты с 13 бивалентами. Т. о. мы обнаружили нетипичную ситуацию, потому что мы ожидали видеть гаметы Pelophylax lessonae, потому что диплоидные гибриды обитают с особью Pelophylax ridibundus. Т. о. мы обнаружили несогласование с исходной гипотезой.

Кроме того мы обнаружили ооциты, которые несут 26 бивалентов и 26  унивалентов. В результате анализа таких ооцитов мы обнаружили, что 13 бивалентов или 13 унивалентов соответствуют геному Pelophylax ridibundus, 13 унивалентов или бивалентов соответствуют геному Pelophylax lessonae. Флюоресцентная in situ гибридизация зон теломерных повторов  была использована в качестве подтверждения морфологического анализа. Т.о. у диплоидных гибридов мы обнаружили нарушения в процессах элиминации и генной репликации. При формировании ооцитов с 26 унивалентами не было ни этапов элиминации, ни репликации, при формировании ооцитов с 26 бивалентами также не было этапа элиминации, однако произошел раунд удвоения всех геномов.

Следующей нашей задачей было установить, какой вклад оказывают ооциты, полученные из диплоидных гибридных лягушек, в популяционные системы.  Для этого мы поставили скрещивание диплоидных гибридов друг с другом и обнаружили головастиков четырех типов: триплоидных гибридов обоих форм, диплоидных гибридов, а также особей родительского вида. Анализ хромосом типа ламповых щёток из всех самок, участвующих в скрещивании, показал наличие 26 бивалентов и 13 бивалентов Pelophylax ridibundus. Т. о. можно заключить, что диплоидные гибридные самки производят два типа гамет – диплоидные гаметы и гаплоидные гаметы, в то время как самцы производят только гаплоидные гаметы с геномом Pelophylax ridibundus  или с геномом Pelophylax lessonae.

Т. о. можно заключить, что гаметогенез самок и самцов диплоидных гибридов различается между собой. Более того, диплоидные гибридные самки ответственны за возникновение триплоидных гибридов, а диплоидные гибридные самцы ответственны за возникновение гибридов как таковых, потому что они производят гаметы с геномом Pelophylax lessonae.

Следующим нашим этапом был анализ процессов в ходе гаметогенеза у триплоидов. Мы проанализировали ход этого процесса у триплоидов и обнаружили, что гаметогенез у них более стабильный, чем у диплоидов, и они характеризуются удалением того генома, который представлен единичной копией. То есть у триплоидов RRL это будет геном lessonae, у триплоидов LLR это будет геном Pelophylax ridibundus. В то время как два оставшихся генома без этапа эндорепликации формируют соответствующие ооциты с бивалентами. Затем мы решили посмотреть вклад триплоидных гибридных лягушек в популяционные системы.

Для этого мы поставили скрещивание триплоидных гибридных лягушек и диплоидных гибридных самцов. И обнаружили головастиков двух типов: особи родительского вида и гибридных особей. Анализ хромосом типа ламповых щёток также показал наличие ооцитов с 13 бивалентами, что позволило нам заключить, что триплоидные гибридные лягушки производят гаплоидные гаметы. Т. о. триплоидные гибриды не способны воспроизводиться друг с другом (от скрещивания друг с другом), а зависят от диплоидных гибридных самок, которые производят диплоидные гаметы.

Следующим нашим этапом было изучение процесса элиминации генома родительского вида. Это происходит у головастиков на ранней стадии гаметогенеза. Поэтому мы посмотрели гонады головастиков особей родительского вида и особей гибридных лягушек. И мы обнаружили в цитоплазме зародышевых клеток у гибридов хроматин-позитивные тельца или микроядра, которые предположительно соответствуют элиминируемому геному. Существуют две гипотезы, как происходит формирование микроядер или как может происходить удаление генома: в результате отставания хромосом одного из родительских видов или почкования во время интерфазы.

Предварительный анализ гонад гибридных головастиков показал, что на стадии анафазы мы не смогли обнаружить ни одного примера отставания хромосом, хотя было проанализировано около 50 анафаз у гибридных головастиков. Более того, мы провели анализ эпигенетических модификаций хроматина и обнаружили, что они различаются в ядрах зародышевых клеток и в микроядрах. Так, микроядра показывают обогащение факторов геторохроматина, что может свидетельствовать об эпигенетической природе выбора генома.

Обсуждение

Вопрос 1. Откуда гибриды знают, с каким видом они сообитают и какой геном надо элиминировать? Там присутствуют сигналы какие то?

Ответ. Скорее всего, предположительно это происходит с течением времени, так как гибриды обитают достаточно долго, то просто те гибриды, которые производит такой же геном, что и родительский вид, они просто элиминируются из популяции. То есть если гибриды обитают с особями lessonae, и производит гаметы с lessonae, то он просто исчезнет.

Вопрос 1. А следы этого процесса где-то в гибридной зоне обнаружены?

Ответ. Гибридная зона очень широкая, но в принципе да, при анализе каких-то краевых ареалов обнаружено, что гибриды дают разные типы гамет и, видимо, таким образом происходит отбор именно тех гибридов, которые дадут гибридов при скрещивании.

Вопрос 2. Ловите вы их или содержите у себя ?

Ответ. Каждый раз мы их ловим, скрещиваем и дальше уже содержим головастиков у себя.

Вопрос 2. То есть каждый раз весь сезон вы их достаете, определяете их фенотип и потом дальше скрещиваете?

Ответ. Да.

Вопрос 2. А чем это определяется, почему нельзя разводить?

Ответ. Тем, что у них достаточно долго происходит рост, то есть 3-4 года нужно, чтобы из головастика вырастить взрослую особь, а это достаточно сложно. Нам был бы интересен такой эксперимент, посмотреть, влияет ли генотип родителя гибридного на элиминацию генома у потомства. Однако вырастить в течение 3-4 животных нам не удалось, это достаточно продолжительно.

Вопрос 3. Вы как раз ввернули такой термин «геном убивает геном», или «элиминирует геном». Каким образом геном убивает другой геном, что происходит – расщепление, или это действительно какие-то эпигенетические механизмы? Какие механизмы этого действия?

Ответ. На данный момент механизмы этого процесса – удаления из генома одного из наборов хромосом – неизвестны. Однако есть несколько гипотез, которые могут быть связаны с некодирующими РНК, которые специфически распознают

Вопрос 3. Он остается или вообще уходит?

Ответ. Он вообще уходит, в зародышевых клетках его нет, можно сказать, что он полностью удаляется».