Версия для печати

Скрещивание бабочек-горчичнец указало на новый механизм эволюции геномов

Ученые из России, Испании и Швеции провели эксперименты по скрещиванию бабочек с разным количеством хромосом. Хотя обычно такие гибриды оказываются бесплодными, эти насекомые не только сохранили свою способность производить потомство на протяжении четырех поколений, но и указали на новый механизм эволюции хромосомных наборов. Возможно, именно он в некоторых случаях лежит в основе образования видов. Статья, поддержанная грантом Российского научного фонда, была опубликована в журнале Frontiers in Genetics.

Хромосомные различия (то есть разные формы, размер и количество хромосом) выполняют функцию «охранников», которые защищают границы между видами и сами виды от разрушительных последствий «незаконного» смешивания. Они являются причиной пониженной плодовитости или даже полного бесплодия у гибридов. Это связано с тем, что при образовании половых клеток происходит неравномерное распределение генетического материала. Например, мулы (результаты скрещивания осла и кобылы) отличаются большей продолжительностью жизни и работоспособностью, но они бесплодны, так как получают разное число хромосом от родителей: 31 от осла и 32 от лошади.

Однако у этого правила есть исключения. В 2018 году авторы новой статьи обнаружили необычное деление ядра (мейоз) у самой обычной бабочки — горошковой белянки (их еще называют горчичнецами). В норме при первом делении мейоза дочерние клетки получают равноценные половинчатые наборы (результат расхождения двух гомологичных хромосом в составе бивалента: то есть из 2n получается 1n). Как правило, у гибридов такое невозможно, поскольку разница в хромосомах между родителями нарушает такое деление. Выходом из ситуации становится инвертированный мейоз: как понятно из названия, редукционное и обычное деления меняются местами. В результате во втором делении происходит более сбалансированная передача генетического материала. Этот тип мейоза и был найден у горошковой белянки.

В новом исследовании авторы провели скрещивания между двумя расами горошковой белянки — испанской, у которой в диплоидном (2n) наборе 106 хромосом, и шведской, у которой в диплоидном наборе 56 хромосом. В своей работе ученые наблюдали кариотипы (хромосомные наборы) четырех поколений этих гибридов.

Эти исследования подтвердили высокую фертильность (плодовитость) гибридов. Они также выявили, что у первого поколения почти все хромосомы участвуют в образовании сложных ассоциаций, так называемых мультивалентов (как раз с наличием мультивалентов и связана частичная стерильность гибридов). Однако во втором, третьем и четвертом поколениях наблюдалась картина постепенного уменьшения доли мультивалентов и увеличения доли бивалентов — нормальных хромосомных ассоциаций, с тенденцией формирования нового кариотипа с промежуточным между 56 и 106 диплоидным числом хромосом.

«Мы показали, что скрещивания между контрастными хромосомными расами горошковой белянки приводят к частично фертильным гибридам и запускают процессы формирования новых кариотипов и, потенциально, новых видов. Таким образом, гибридизация между видами может играть творческую роль в эволюции, запуская формирование новых сбалансированных геномов и возникновение новых видов», — сообщает Владимир Лухтанов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Зоологического института РАН и профессор Санкт-Петербургского государственного университета.

Изучение перестроек кариотипа и хромосомных мутаций, таких как в данном исследовании, потенциально важно для сферы здравоохранения. У человека перестройки, на несколько порядков меньшие по масштабам, вызывают серьезные патологии. Поэтому понимание механизмов, как организм справляется с подобными изменениями в геноме, может иметь не только теоретическое, но и практическое значение.

Картинка. Белянка горошковая. Источник: Владимир Лухтанов

Пресс-⁠служба Российского научного фонда