Молекулярные механизмы возникновения и эволюции в-хромосом саранчовых Podisma sapporensis и p.Kanoi.

Карамышева Т.В. Рубцов Н.Б.

Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск 630090, Россия

e-mail: kary@bionet.nsc.ru, rubt@bionet.nsc.ru

В последние годы дополнительные или В-хромосомы были описаны у многих видов животных и растений. Большая часть того, что мы знаем о В-хромосомах, об их происхождении, генетическом составе и молекулярной организации, ограничено результатами цитогенетических исследований, проведенных на В-хромосомах ржи, кукурузы и нескольких видов саранчовых. Наиболее характерными чертами В-хромосом является их внутри- и межпопуляционный полиморфизм, необязательность присутствия в кариотипе, варьирование числа и морфологии, обогащенность повторенными последовательностями. Однако, несмотря на многочисленные исследования, В-хромосомы остаются одним из самых загадочных элементов генома и их изучение до сих пор остается затруднительным.

В данной работе предлагаются результаты молекулярно-цитогенетического анализа В-хромосом двух видов саранчовых Podisma sapporensisиP.kanoi (Япония). В исследованных популяциях нами были обнаружены несколько морфотипов B-хромосом и дополнительных хромосомных плеч, различающихся формой, размерами, соотношением эухроматиновых и гетерохроматиновых районов, частотой встречаемости в популяциях.

Для сравнительного анализа В-хромосом двух видов рода Podisma методом микродиссекции были получены ДНК-библиотеки В-хромосом этих видов и проведена гетерологичная кросс-гибридизация ДНК-проб В-хромосом P. kanoiиP. sapporensisс хромосомами этих видов. Проведено клонирование и секвенирование фрагментов ДНК из ДНК библиотеки В-хромосомыP. kanoi. Показано, что клонированные последовательности имеют АТ-богатый состав, обогащены повторенными последовательностями, представленными в виде кластеров. Поиск гомологичных последовательностей по базам данных выявил гомологию клонированных фрагментов В‑хромосомыP. kanoiсLocusta migratoria, с экзоном 8 белка тирозинаRattus norvegicus и суб- и теломерным райономBombyx mori и Plasmodium falciparum.

Показано, что молекулярный состав В-хромосомы саппорской кобылки Podisma sapporensis отличается от В-хромосомыPodisma kanoi и наряду с гетерохроматиновыми районами содержат эухроматиновые районы, что отличает их от практически всех описанных к настоящему времени В-хромосом животных.

Нами получены новые данные о независимом происхождении и эволюции В‑хромосом двух близкородственных видов P.sapporensis и P. kanoi, предложен новый механизм их формирования.

Работа поддержана грантом Программы фундаментальных исследований Президиума РАН: «Биоразнообразие и динамика генофондов растений, животных и человека» и РФФИ, грант 05-04-48230.

Мейоз у самцов тетраплоидной формы щиповок Cobitis из клонально-бисексуального комплекса р. Москвы

Левенкова Е.С., Васильев В.П.

Институт Проблем Экологии и Эволюции РАН, Москва 119071, Россия

e-mail: e-leven@mail.ru

Щиповки (сем. вьюновых – Cobitidae) – некрупные рыбки, обычные обитатели рек и водоемов Евразии. У щиповок рода Cobitis из европейской части континента обнаружены, наряду с двуполыми диплоидными видами, клональные формы, представленные, как правило, триплодными самками (Васильев 1981, 1985; Boron 1992; Rab & Slavik 1996). Поскольку такие однополо-женские клоны размножаются путем гиногенеза (то есть для стимуляции развития яйцеклеток нужна сперма), они существуют только в комплексе с одним или двумя близкими бисексуальными видами. Так, комплекс щиповок Cobitis из бассейна р. Волги (р. Москва, Ока и Сура) включает триплоидную форму (3n = 74), которая составляет более половины всех отловленных особей; два двуполых вида – C. taenia (2n = 48) и C. melanoleuca (2n = 50); а также две тетраплоидные формы, которые возникают de novo в каждом поколении щиповок (Васильев и др. 1991; Vasil’ev et al. 2003). В кариотипе триплоидной формы выделяют гаплоидный набор хромосом C. taenia (n = 24) и 50 хромосом одного или двух неизвестных видов. Участие вида, близкого к современному C. taenia, в происхождении клональной триплоидной формы подтверждено анализом ядерного и митохондриального геномов (Осинов и др. 1983; Васильев, в печати).

Тетраплоидные формы в комплексе щиповок р. Москвы возникают как результат гибридизации, когда при нарушении гиногенеза происходит истинное оплодотворение триплоидной самки самцом C. taenia или C. melanoleuca. Доля тетраплоидов в уловах составляет до 34% (Васильев 1985), что соответствует частоте формирования мужского пронуклеоса при оплодотворении яиц у триплоидных щиповок (Saat 1991). Тетраплоиды, возникшие при скрещивании клональной формы и C. melanoleuca, представлены только самками (3n+25), при скрещивании триплоидных самок и C. taenia – самками и самцами (3n+24). Тетраплоидные самки обоих форм, как и клональная родительская форма, способны к гиногенетическому размножению (Васильев 1985), однако у них снижена плодовитость, у некоторых особей оогенез заблокирован на стадии профазы мейоза (Lees & Saat 2003). При исследовании репродуктивной способности тетраплоидных самцов отмечали недоразвитие и аномалии семенников, иногда – наличие соединительной ткани в их протоках и отсутствие генеративных клеток, нарушение подвижности и дефекты сперматозоидов, несбалансированный мейоз (Васильев 1985; Vasil’ev et al. 2003). Мы изучали разные стадии мейоза у тетраплоидных самцов.

Из 36 щиповок Cobitis, отловленных в августе 2004 г. в реках Ока и Москва, тетраплоидными оказались 5 особей (2 самки и 3 самца), что составляет 11% от всего улова. У одного из самцов визуально не удалось обнаружить гонады, у двух других гонады присутствовали. На мейотических препаратах у одного из них выявили сперматоциты на стадии диакинез. Сходное количество тетраплоидов (до 20%) по отношению ко всему улову щиповок отмечено и в 2003 году. На некоторых мейотических препаратах, приготовленных из гонад тетраплоидных самцов, выявили только мелкие клетки, мейоциты отсутствовали. На препаратах, сделанных из семенников других самцов, присутствовали клетки на разных стадиях мейоза, однако часть из них были аномальными. Так, в сперматоцитах на стадии пахитены хромосомные элементы были ассоциированы. Ассоциации разных элементов выявляли и на стадии диплотены. По-видимому, большинство из них, но не все, распадались до стадии диакинез-метафазаI, в таких клетках в основном были сформированы биваленты, однако присутствовали тетра- и мультиваленты. Во многих мейоцитах у тетраплоидных самцов хромосомные элементы были более сжатыми, компактными, чем в клетках у самцов бисексуальных видов. Такая аномальная упаковка хроматина характерна для сперматоцитов гибридов от межвидовых скрещиваний и косвенно свидетельствует о трудности совместимости работы мейотических генов, полученных от разных родителей (Левенкова 2001).

Итак, у тетраплоидных самцов выявлена разная степень нарушений сперматогенеза – от полного отсутствия гонад до формирования сперматозоидов у некоторых особей. Вероятно, при неполной совместимости геномов, обусловленной генетической дифференциацией исходных форм, у этих самцов на ход мейоза влияют даже индивидуальные различия в сочетании генетических факторов.

Отметим, что у щиповок Cobitisмужской пол – гетерогаметный (Васильев 1995), это может осложнять созревание гибридных самцов. Вероятно тот факт, что при скрещивании триплоидов сC. melanoleucaв основном рождаются самки, а сС. taenia– самки и самцы – свидетельствует о большей филогенетической близости клональной формы с последним видом и подтверждает его участие в происхождение триплоидов. Однако затем, в ходе эволюции уC. taeniaи триплоидной формы могли накопиться генные различия, которые затрудняют совместное функционирование их генов в геномах тетраплоидных особей. Таким образом, несмотря на то, что у некоторых тетраплоидных самцов сперматогенез идет до созревания сперматозоидов, а самки способны к гиногенетическому размножению, невозможно предполагать восстановление бисексуальности у тетраплоидов или образование новых форм у щиповокCobitisиз р. Москвы.