Дафнии повсеместно встречаются в пресноводных источниках, но их способ размножения, известный как циклический партеногенез, который включает чередование фаз как полового, так и бесполого размножения, представляет собой эволюционную загадку. Еще одна загадка, окружающая дафний, заключается в том, что в некоторых популяциях до 50% самок не производят потомства мужского пола.
Теперь Майкл Линч из Университета штата Аризона и его коллеги, в том числе ведущий автор Чжицян Йе, считают, что они определили вариацию в одном гене (уникальном для дафний), который отвечает за признак непродуцирования самцов (NMP).
Выделение этого доминантного аллеля NMP проливает новый свет на поведение этого важного модельного организма, а также на более широкие генетические механизмы производства потомства мужского пола. В конце концов, новое понимание таких механизмов может стимулировать инновации в лечении бесплодия или, альтернативно, в борьбе с вредителями.
«Мы обнаружили, что есть представители некоторых популяций дафний, которые неспособны производить на свет мальчиков», – говорит Линч. "У нас есть химическое вещество, которое мы используем, под названием метил фарнезоат, которое мы разбрызгиваем в воду, чтобы стимулировать мужское производство, и они даже не реагируют на это.
Таким образом, в популяции есть две разновидности индивидуумов: одна производит дочерей и сыновей, а другая – только дочерей."
Майкл Линч руководит Центром биодизайна механизмов эволюции и является профессором Школы наук о жизни АГУ.
Исследование группы по дафнии опубликовано в текущем выпуске журнала PNAS.
Под поверхностью
Дафнии, видимые невооруженным глазом, лучше всего наблюдаются под микроскопом, поскольку их полупрозрачные формы позволяют четко видеть внутреннюю структуру. Сердце, которое бьется с частотой 300 импульсов в минуту, можно отчетливо увидеть вместе с пятью парами ног существа, которые дафнии используют, чтобы сметать водоросли и органический мусор в свой пищеварительный тракт. (Четко видимая структура дафний в сочетании с их важной ролью в пресноводных экосистемах сделали их жизненно важным организмом для изучения экологии и физиологии на протяжении более 100 лет.)
Дафнии имеют длину примерно 1-3 миллиметра и имеют выпуклые сложные глаза, чувствительные к солнечному свету, падающему на поверхность пруда и озера, прочный панцирь, усики и пару волосковидных структур брюшка, известных как щетинки.
Также у дафний видна камера для расплода, где потомство, полученное в результате полового и бесполого или партеногенетического размножения, развивается до рождения. Движения неполовозрелого молодняка часто можно увидеть в выводковой камере.
Дафнии являются плодовитыми производителями яиц, и, по оценкам, их численность быстро переполнила бы пруд, если бы они не поедались постоянно другими водными организмами. Их быстрые, сокращенные движения в воде несколько похожи на блох, и их часто называют водяными блохами, хотя они являются микрорелковыми, а не насекомыми.
Хотя в роду дафний более 200 видов, наиболее распространенными (и предметом настоящего исследования) являются D. пулекс. (Точная систематика дафний остается спорной, отчасти из-за гибридизации, фенотипической пластичности и других факторов.)
Инновации в сексе
Дафнии используют комбинированную стратегию бесполого и полового размножения в течение своего жизненного цикла. В течение большей части вегетационного периода самки размножаются бесполым путем, производя диплоидные яйца (несущие два набора хромосом и производящие генетически идентичное потомство). Эти яйца обычно вылупляются через два-три дня после переноса в маточную сумку дафний.
В конце сезона по мере изменения условий окружающей среды репродуктивный образ жизни дафний меняется.
Самки начинают производить самцов и так называемые «покоящиеся» яйца (или зимние яйца). Они очень долговечны и способны выжить в неповрежденном виде – в условиях сильного холода, засухи или периодов дефицита питательных веществ – в течение многих лет или даже десятилетий, пока условия окружающей среды не станут благоприятными для их вылупления и развития. Покоящиеся яйца оплодотворяются самцами дафниями изнутри, прежде чем они откладываются в коробку расплода.
В поисках подсказок
В новом исследовании изучается подмножество клонов Daphnia pulex со специфическим признаком: они дают потомство только женского пола. Тщательное исследование этих дафний, не являющихся самцами (NMP), выявило около 3500 специфических геномных маркеров, обнаруженных только у людей с NMP.
Исследователи последовательно сузили круг маркеров-кандидатов, сравнивая их с другими популяциями NMP и ища перекрытия, наконец, идентифицировав всего 5 вариантов кодирования белков, связанных исключительно с NMP Daphnia, все из которых принадлежат к одному гену.
Хотя в некоторых популяциях дафний нет представителей, несущих вариант NMP, Линчу и его коллегам повезло с первой попытки, они секвенировали 100 особей, примерно половина из которых не являлись продуцентами мужского пола. Кроме того, все маркеры NMP были обнаружены в ограниченной области генома дафнии, рядом с концом хромосомы 1. Вариант, который, по-видимому, отвечает за признак NMP, встречается в гене, помеченном 8960, по которому остается много вопросов.
Этот ген отсутствует у других членистоногих и, по-видимому, уникален для дафний.
«У нас есть огромный проект генома дафний», – говорит Линч. "Мы секвенировали около 2000 геномов дафний и продолжаем это делать. Это один из крупнейших геномных проектов – возможно, самый крупный, за исключением проекта генома человека."
Чжицян Е, постдоктор лаборатории Линча и ведущий автор нового исследования, выполнил большую часть лабораторных работ. Он исследовал экспрессию генов в аллелях, продуцирующих и не продуцирующих самцов, и продемонстрировал, что аллель NMP в значительной степени не реагирует на метил фарнезоат, критический гормон, ответственный за придание мужских качеств потомству дафний.
Репродуктивное затруднение
С эволюционной точки зрения обоснование создания NMP Daphnia остается спекулятивным. Интересно, что черта NMP, по-видимому, изначально была заимствована от родственного вида D. пулекс, известный как D. пуликария. Аллель NMP может ограничивать пагубные последствия слишком частого инбридинга в популяциях дафний или просто помогать поддерживать равновесие в производстве самцов.
Исследование, как указывает Линч, может предложить новые ключи к разгадке происхождения и образа жизни облигатных бесполых организмов (i.е. те, которые полагаются исключительно на бесполое размножение, главная загадка эволюционной биологии).
Фенотип NMP имеет сходство с репродуктивной стратегией, обнаруженной у так называемых гинодомных растений. «В гинодобной системе есть особи, которые производят как мужские, так и женские гаметы, а некоторые – только женские», – говорит Линч. "В поверхностном смысле это очень похоже на систему дафний."
В будущих исследованиях Линч и его коллеги будут применять методологию редактирования генов CRISPR-Cas9 к изучению дафний, открывая новое направление исследований генетики и геномики этого модельного организма. В одном из предложенных экспериментов будет использована техника для нокаутации гена, ответственного за производство самцов, или редактирования аллеля NMP, чтобы окончательно установить ген 8960 как виновник признака NMP у дафний.