Клонирование в природе: роль остановки генетической рекомбинации в формировании фауны и флоры (31.01.2011)

Автор: Гребельный Сергей Дмитриевич

3. Выявлены общие свойства клональных форм, их отличия от обычных двуполых видов. Показано кардинальное отличие «случайного» (экспериментального) партеногенеза от естественного партеногенеза и от процессов клонирования, наблюдающихся в природных популяциях гиногенетических и андрогенетических видов.

4. Рассмотрены популяционные и эволюционные последствия перехода к размножению без рекомбинации, всегда изменяющего генотипический состав и генетический полиморфизм популяции и вида. Наряду с преимуществами клонирования рассмотрены его неизбежные издержки.

5. Показано, что двуполое размножение отнюдь не доказывает наличия полноценной рекомбинации. Рассмотрена роль гибридизации и полиплоидизации при гибридном видообразовании у однополых (партеногенетических, гиногенетических) и двуполых видов животных.

Теоретическое и практическое значение. Поставленные в работе вопросы, включая и не до конца решенные, имеют большое значение для преподавания биологических дисциплин. Они должны обсуждаться в ряду самых общих проблем эволюционной биологии, сетчатого видообразования, географического распространения гибридных, полиплоидных и других форм, располагающих ограниченной рекомбинацией, современных научных представлений о возникновении, дивергенции и старении таксонов.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены в 11 устных докладах и 1 стендовом сообщении на всероссийских (всесоюзных) совещаниях, сессиях, съездах и международных конференциях: VI совещание «Вид и его продуктивность в ареале» по программе ЮНЕСКО «Человек и биосфера» (Санкт-Петербург, 1993); Международный симпозиум «Diapause in Crustacea» (Санкт-Петербург, 1994); Международный симпозиум «31st European Marine Biology Symposium» (Санкт-Петербург, 1996); Отчетная научн. сессия по итогам работ 1996 года Зоологического института Российской Академии Наук (Санкт-Петербург); Межд. конф., посвященная 275-летию Российской Академии Наук (Санкт-Петербург, 1999); Отчетная научн. сессия по итогам работ 1999 года ЗИН РАН (Санкт-Петербург); Межд. конф., посвященной 100-летию со дня рождения академика А. В. Иванова, Санкт-Петербург, 2006); Симпозиум памяти Григория Андреевича Левицкого (1878–1942) (Санкт-Петербург, 2008); Съезд генетиков и селекционеров, посвященный 200-летию со дня рождения Ч. Дарвина (Москва, 2009); V-й съезд Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Москва, 2009); Межд. конф. «Чарльз Дарвин и современная биология» (Санкт-Петербург, 2009); VI Конференция «Кариология, кариосистематика и молекулярная систематика растений» (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 работа, в том числе одна монография, которая включает полный текст диссертации, 12 статей в журналах, рекомендуемых ВАК для опубликования основных результатов докторских диссертаций, 10 работ в других изданиях и тезисы 8 докладов, прочитанных автором на международных и отечественных конференциях, съездах, симпозиумах и конференциях.

Структура и объем работы. Работа состоит из вводной части (раздел монографии «Предварительные замечания»), 4 глав, списка литературы и 5 страниц английского Summary. Список цитированной литературы включает 654 наименования, в том числе 151 на русском языке. Работа иллюстрирована 20 рисунками и 3 таблицами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В увеличении видового разнообразия многих групп животных — как насекомых и позвоночных (рыб, земноводных, ящериц), так и менее изученных в этом отношении морских беспозвоночных — значительную роль играли гибридизация, полиплоидия и другие сальтационные процессы. В работе впервые показаны масштабы этого явления, проанализированного на богатом и таксономически представительном материале (табл. 2, с. 20–21).

2. Репродуктивная изоляция не должна считаться непременным условием симпатрического сосуществования близких видов. При сетчатом видообразовании изоляция хромосомных наборов, полученных от разных предков, заменяет репродуктивную изоляцию особей и обеспечивает сохранение гибридного состояния (в частности, перманентной гетерозиготности) даже у двуполых форм.

3. Остановка или строгое ограничение генетической рекомбинации (у партеногенетических, гиногенетических, андрогенетических, гибридогенетических рас и видов) вследствие резкого уменьшения аллельного разнообразия приводит к снижению эволюционных способностей.

4. Клональные виды нельзя строго противопоставить «обычным» (двуполым, рекомбинирующим видам), поскольку остановка рекомбинации может не распространяться на весь геном, а касаться только некоторых хромосом (даже небольших участков хромосомы). Остановка рекомбинации сопровождает эволюцию всех организмов, но не везде полностью останавливает популяционные процессы. Во многих случаях она защищает от изменений только небольшие, «наиболее обработанные» участки генома, дальнейшие изменения в которых вредны для выживания вида.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Хорошо изученные примеры клонирующихся форм

В первой главе на примере немногих хорошо изученных животных описаны последствия перехода двуполого вида к партеногенетическому размножению, полностью прекращающему генетическую рекомбинацию. Материалом для обсуждения изменений генотипического состава популяций послужили эфемерные популяции пресноводных рачков Daphnia и коловраток Brachionus, удобные для наблюдений в природе и лаборатории и, благодаря этому, хорошо изученные (Hebert & Ward, 1972, 1976; Potts & Fryer, 1979( Hebert et al., 1985, 1989( Weider & Lampert, 1985( Carvalho, 1987; Carvalho & Crisp, 1987; Paris et al., 1988; Alekseev & Lampert, 2001). Наиболее очевидным результатом конкуренции в период летнего партеногенетического размножения служит выживание немногих высоко гетерозиготных клонов (Young, 1979, p. 965, 1983; Мэйнард-Смит, 1981; Lynch & Deng, 1994; Deng & Lynch, 1996). Его можно считать неизбежным следствием остановки половой генетической рекомбинации. Подобная сезонная смена клонов отмечена Гомесом и его соавторами для популяций коловраток Brachionus (Gomez et al., 1995). Все эти данные отражают изменения, происходящие в популяциях мелких, быстро размножающихся животных в течение одного года.

Примеры более длительного существования клональных линий, происходящих от двуполых популяций, обнаружены среди жуков семейства долгоносиков, Curculionidae (Suomalainen et al., 1976; 1996). В этом семействе однополые (unisexual или all-female) формы могут принадлежать к видам, которые в других частях своего ареала представлены обычными двуполыми популяциями. Целый ряд видов Curculionidae — Otiorhynchus scaber, O. nodosus (syn. dubius), O. chrysocomus, O. lepidopterus (syn. salicis), O. sulcatus, Polydrusus mollis, Liophloeus tessulatus — представлен как партеногенетическими (обычно полиплоидными), так и двуполыми расами. Двуполые почти во всех случаях имеют очень ограниченный ареал в горах центральной и южной Европы, а партеногенетические распространены широко. Так, диплоидные двуполые популяции Otiorhynchus scaber живут в весьма ограниченной области, в восточных Альпах, зачастую вместе с полиплоидными партеногенетическими расами. Триплоидная раса занимает центральную Европу, вместе с ней во многих местах встречается и тетраплоидная, но она идет дальше на север, достигая в Скандинавии 64? северной широты (Suomalainen & Saura, 1973( Saura et al., 1976). С помощью электрофореза белков изучен полиморфизм двуполой и многих сотен партеногенетических популяций этого вида. Каждая партеногенетическая популяция состоит из нескольких генотипически различных клонов. Например, в триплоидной популяции из Лунца (Lunz am See) в Австрии преобладают два клона, к которым принадлежит большинство особей, но в ней присутствуют еще три редких клона. В континентальной Европе и Скандинавии было обнаружены 75 тетраплоидных клонов.

Хотя обогащение клонального разнообразия в однополых популяциях может происходить за счет мутирования, все собранные данные показывают, что партеногенетические клоны не содержат аллелей, которые отсутствовали бы в двуполых, рекомбинирующих популяциях. Следовательно, предком большинства партеногенетических линий была двуполая раса. Поскольку географическое распространение партеногенетических форм долгоносиков связывают с историей четвертичных оледенений Европы, возраст большинства из них оценивается в несколько тысяч лет (Suomalainen, 1969; Korotyaev, 1996).

Для позвоночных животных убедительные доказательства размножения без половой рекомбинации были представлены в середине минувшего века. Был описан гиногенез (подробнее об этом явлении см. ниже) у субтропической живородящей рыбки Poecilia formosa и серебряного карася Carassius auratus gibelio (Hubbs & Hubbs, 1932; Берг, 1947; Головинская и др., 1947). Позднее, благодаря работам И.С.Даревского и В.Н.Куликовой, Маслина, Куэльяра (Даревский, 1958; Darevsky & Kulikowa , 1961; Maslin, 1962, 1968, 1971( Cuellar, 1971; Cuellar & Kluge, 1972), были найдены многочисленные случаи партеногенеза у рептилий, среди которых наиболее изученным объектом стали американские тропические ящерицы рода Cnemidophorus (Teiidae).

Таблица 1

Набор аллелей партеногенетической и двух обычных (предковых) рас амазонской ящерицы Cnemidophorus lemniscatus (По данным Sites, Peccinini-Seale, Moritz, Wright, & Brown, 1990)

Примечание. Белыми кружками показаны аллели, присутствующие в гомозиготном состоянии у двуполой расы «D», черными — у двуполой расы «E». Видно, что партеногенетическая раса («B») в большинстве локусов несет гетерозиготное сочетание этих аллелей, следовательно, может интерпретироваться как гибрид.

Богатейший материал по полиморфизму белков, кариологической изменчивости, митохондриальной ДНК Cnemidophorus lemniscatus был собран Сайтесом, Вайасом и их соавторами (Sites et al., 1990( Vyas et al., 1990). В северной Бразилии вид представлен партеногенетическими и двуполыми популяциями (Vanzolini, 1970( Peccinini, 1971( Hoogmoed, 1973( Serena, 1984, 1985). И те, и другие принадлежат к нескольким кариоморфам, которые отличаются либо по числу хромосом, либо по их морфологии. Двуполые популяции включают две расы, обозначенные как D и E. Обе имеют диплоидное число хромосом (2x = 50), но различаются по их строению (перицентрическая инверсия в самой крупной хромосомной паре; Peccinini-Seale & Frota-Pessoa, 1974). В амазонских партеногенетических популяциях обнаружены три хромосомные расы, обозначенные как A, B и C. Все они диплоидны: расы A и B имеют 2x = 48 , раса C — 2x = 50 хромосом. Кроме того расы A и B различаются по числу гетероморфных хромосомных пар и гетерозиготны по той же перицентрической инверсии, которая позволяет различать двуполые расы D и E. Севернее, в Суринаме, C. lemniscatus представлен партеногенетическими триплоидами и двуполыми диплоидами (Serena, 1984, 1985).

Амазонские партеногенетические расы гетерозиготны по большинству локусов (8 из 11, табл. 1), в которых двуполые расы D и E фиксированы по разным аллелям (Sites et al., 1990). Это означает, что в гомологичных хромосомах партеногенетических ящериц каждый из восьми обсуждаемых генов представлен двумя разными аллелями (табл. 1, раса B), в то время как у двуполых рас обе копии каждого из этих генов представлены одной аллелью. Причем аллели, которые несут двуполые расы, таковы, что высоко гетерозиготное состояние, свойственное расе B, может быть получено при гибридизации D и E.

Итак, тропические ящерицы рода Cnemidophorus подобно европейским жукам-долгоносикам представляют собой группу таксономически близких форм, включающую как однополые, партеногенетические, так и двуполые формы. В отличие от долгоносиков, у ящериц каждая выделенная исследователями раса имеет собственный ареал, не накладывающийся на ареал других родственных линий, но клональное разнообразие здесь гораздо меньше. Партеногенетические формы Cnemidophorus, по-видимому, следует считать примером необратимой остановки рекомбинации. Судьба таких нерекомбинирующих клональных видов или рас предрешена их свойствами — прежде всего, крайне низким генетическим полиморфизмом и неспособностью создавать новые сочетания признаков.

В конце первой главы помещен краткий резюмирующий раздел «Общие свойства клональных форм, их отличие от обычных двуполых видов». В нем на более богатом наборе видов, чем обсуждены были выше, сделана попытка оценить древность ныне существующих клональных видов и их эволюционные возможности. При этом констатировано, что генотипическое разнообразие, безусловно, зависит от способа размножения. При половом размножении, сопровождающемся полноценной генетической рекомбинацией, популяции и виды полиморфны; каждая особь обладает индивидуальным сочетанием признаков. Переход же к партеногенезу или иному размножению без рекомбинации неизбежно пресекает появление новых сочетаний генов и связанных с ними признаков. С течением времени число клонов и набор аллелей неизбежно сокращается, сохраняются только самые жизнеспособные или быстрее других размножающиеся клоны. Полиморфная популяция превращается в смесь немногих клонов, в предельном случае — в один наиболее приспособленный к локальным условиям клон. Полиморфизм такой популяции мал, а уровень гетерозиготности обычно высок (Young, 1979; Suomalainen & Saura, 1973( Saura et al., 1976; Суомалайнен et al., 1977( Даревский, 1986; Suomalainen et al., 1987( Sites et al., 1990). В силу своей строгой дискретности клональные формы проявляют некоторые свойства видов. Каждая из них морфологически однородна внутри себя и репродуктивно изолирована от остальных. Многие годы или тысячелетия они сохраняют свой ареал, пока неизменна среда обитания. Главное же их отличие от полиморфных, майровских биологических видов (Майр, 1947, 1968, 1974; Mayr, 1988; Mayr & Ashlock, 1991) состоит в том, что они константны и, как следствие, не способны к длительному существованию.

Глава 2. Девственное развитие в природе и лаборатории

В этой главе рассмотрены примеры так называемого «случайного» или «нерегулярного» партеногенеза (accidental or occasional parthenogenesis), а также механизмы восстановления диплоидности при экспериментальном партеногенезе. В разделах «Мейоз у обычных двуполых видов» и «Мейоз при партеногенезе» со ссылками на богатую литературу (White, 1964, 1973, 1980; Кикнадзе и Высоцкая, 1975; Семенов, 1975; Васецкий, 1977; Кирпичников, 1987 и пр.) рассмотрено течение мейоза при формировании женских гамет у обычных и у партеногенетических видов. При «случайном» партеногенезе у обычного двуполого вида неоплодотворенное яйцо проходит нормальный мейоз, включающий кроссинговер и редукцию, и дает начало гаплоидному, слабому зародышу. Иногда продукты ненарушенного мейоза (материнское ядро яйцеклетки и направительные тельца, происходящие от первого или второго деления мейоза), объединяясь, восстанавливают диплоидность. Но последствия этой аварийной реставрации ядра подобны самооплодотворению, снижают жизнеспособность или летальны.

В оогенезе организмов, размножающихся в природе партеногенезом, редукционное деление нарушено, и молодь имеет тот же генотип, что и материнская особь. Потомство диплоидных самок остается диплоидным, полиплоидных — сохраняет полиплоидное число хромосом. Кроссинговер у естественных партеногенетиков также устранен. Если же рудименты мейоза показывают себя не только в цитологических картинах, но и в виде пусть весьма ослабленной рекомбинации, клонирование бесперспективно. Клоны нестабильны, они изменяются, и их конкуренция не ведет к сохранению наиболее жизнеспособных сочетаний аллелей.

Глава 3. Естественные клонирующиеся расы и виды

В третьей главе, в разделе «Механизмы остановки рекомбинации, наблюдающиеся у естественных клонирующихся форм», рассмотрено разнообразие способов размножения, которые по своим генетическим последствиям близки к партеногенезу. В конце главы кратко разобраны пагубные последствия, которые переход к клонированию имеет для эволюционных способностей популяций и видов, и отмечены немногие слабые стороны, которые двуполый рекомбинирующий вид показывает в конкуренции с клоном.

Партеногенез

При партеногенезе молодые организмы развиваются из женских гамет — яиц, но без участия спермиев. Популяция состоит только из самок, самцов нет, нет и оплодотворения, поэтому для успешного развития в яйце должен сохраниться полный (не редуцированный) набор хромосом, свойственный соматическим клеткам( диплоидный или полиплоидный. Развивающееся из неоплодотворенных яиц потомство наследует гены единственного родителя — матери.

Многочисленные примеры партеногенетических диплоидных и полиплоидных линий и видов (см. табл. 2, с. 20–21) описаны среди ракообразных, насекомых и ящериц. По своим генетическим последствиям к партеногенезу примыкают другие вторичные видоизменения полового размножения( гиногенез, гибридогенез и андрогенез.

Гиногенез

Гиногенез представляет собой развитие неоплодотворенного яйца, происходящее после стимуляции его спермием. Осеменение необходимо, но после слияния гамет ядро спермия не преобразуется в мужской пронуклеус и вскоре элиминируется. Развитие зародыша протекает под контролем только материнской наследственности и приводит к появлению одних только самок.

Наиболее известный пример гиногенеза — размножение серебряного карася Carassius auratus gibelio (Головинская и др., 1947, 1965; Черфас, 1987; Zhou et al., 2000; Васильева и Васильев, 2000; Murakami et al., 2001; Брыков и др., 2005). Гиногенез отмечен также у диплоидных и триплоидных рас мелких живородящих тропических рыбок, относящихся к родам Poecilia и Poeciliopsis (сем. Poeciliidae) у триплоидных и тетраплоидных щиповок — Cobitis (Cobitidae), у преимущественно диплоидного гибридного вида рыб Menidia clarkhubbsi (Atherinidae), у триплоидной формы плотвы — Rutilus (Cyprinidae). Он известен у хвостатых земноводных — гибридных триплоидных рас Ambystoma (Ambystomatidae), у триплоидной расы жука-притворяшки (Ptinus), зависимой в своем размножении от самцов диплоидного вида Ptinus clavipes (Ptinidae) и у пресноводной планарии Dugesia gonocephala.

Гибридогенез

Гибридогенез отличается от гиногенеза тем, что потомство развивается из оплодотворенных яиц. Аллели отца, вносимые спермием, считываются и проявляются фенотипически. Потомство во многих случаях также состоит только из самок, но они являются подлинными «соматическими гибридами», так как их соматические клетки несут хромосомы обоих родителей. Тем не менее, при половом созревании гибридных особей на начальных стадиях оогенеза отцовские хромосомы элиминируются, и в созревающем яйце сохраняются только материнские хромосомы. Таким образом, в каждом поколении один гаплоидный набор (вносимый самцом) должен быть вновь заимствован. На этом основании Л. Я. Боркин и И. С. Даревский вполне оправданно предложили именовать такую форму размножения «кредитогенезом».

Явление гибридогенеза детально изучено на материале однополо-женских популяций живородящих рыбок рода Poeciliopsis (Schultz, 1961, 1969, 1973, 1977( Vrijenhoek, 1972( Angus & Schultz, 1979). Убедительные доказательства гибридогенетического размножения имеются в отношении европейской так называемой «съедобной лягушки» Rana esculenta. Этот вид оказался перманентным гибридом R. lessonae и R. ridibunda (Berger, 1967, 1968( Бергер, 1976; Uzzell et al., 1975, 1977, 1980; Лада, 1995; Lada et al., 1995; Vinogradov et al., 1990, 1991).

Андрогенез


загрузка...