Кубанский государственный технологический университет

Посткопуляционные, презиготические барьеры мешают близкородственным видам сверчков скрещиваться

24-10-2011
Рис. 1. Близкородственные виды сверчков Gryllus firmus (слева) и G. pennsylvanicus (справа) и их ареалы на территории Северной Америки. Изображения с сайтов entnemdept.ufl.

edu и www.pbase.com. Внизу: призывные сигналы самцов двух видов, изображение из статьи Doherty & Storz, 1992

Исследования репродуктивной изоляции между близкородственными видами традиционно сводится либо к изучению прекопуляционных барьеров (экологических или поведенческих), либо к исследованию жизнеспособности или фертильности гибридов. А вот что происходит у гибридов в период между копуляцией и оплодотворением? У гибридизирующих видов американских сверчков скрещивания в одном направлении дают жизнеспособное и фертильное потомство, тогда как реципрокные скрещивания не дают потомства вообще. Оказывается, основная причина этого — барьер при оплодотворении гетероспецифической спермой яйцеклеток, который, по-видимому, возникает благодаря быстрой эволюции видоспецифических семенных белков.

В 1963 году немецкий зоолог Эрнст Майер классифицировал механизмы репродуктивной изоляции, или изолирующие барьеры, на две широкие категории: барьеры, препятствующие копуляции (прекопуляционные), и барьеры, препятствующие развитию гибридов (посткопуляционные). В дальнейшем различные авторы использовали как вышеназванные термины, так и термины «презиготические» и постзиготические» механизмы. В действительности, это не одно и то же. После спаривания и до образования зиготы у животных происходит множество важнейших событий, которым в литературе уделялось незаслуженно мало внимания. Теперь выясняется, что в некоторых случаях гибридизация между близкородственными видами затруднена потому, что именно на этом этапе возникают существенные барьеры. Например, самец передает самке мало спермы, или сперма оказывается не очень жизнеспособна или малоподвижна в половых путях гетероспецифической (другого вида) самки. Самка может сохранять меньше гетероспецифической спермы или избирательно использовать больше спермы, полученной от конспецифического (своего вида) самца. Наконец, несовместимость спермы и яйцеклеток приводит к затруднениям на этапе проникновения сперматозоида в яйцеклетку, и даже после проникновения, на этапе слияния женского и мужского ядер.

Два близкородственных вида полевых сверчков, Gryllus firmus и G. pennsylvanicus, обитают в Северной Америке, где в принципе занимают различные ареалы (рис. 1). Однако в районе от Коннектикута до Северной Каролины, на границе своих ареалов они встречаются, скрещиваются и производят гибридов. Надо отметить, что гибриды попадаются достаточно редко, что является довольно характерной ситуацией. Как правило, гибридов в природе обнаружить не так просто, и тем, кто это сделал, обычно просто везет. Американскому биологу Ричарду Харрисону (Richard G. Harrison) в свое время так повезло с G. firmus и G. pennsylvanicus, и с тех пор он изучает гибридную зону между этими видами.

Исследуя различные изолирующие механизмы, он обнаружил, что гибридизации, в первую очередь, мешает экологическая изоляция. Сверчки этих видов предпочитают жить на разных типах почв и, кроме того, пики спаривания у них приходятся на разные месяцы. При этом этологическая изоляция у них почти отсутствует: призывные сигналы и сигналы ухаживания очень похожи у обоих видов (рис. 1). В лаборатории самцы успешно ухаживали за чужими самками, и самки так же успешно спаривались с чужими самцами. Скрещивание в одном направлении — самок G. pennsylvanicus с самцами G. firmus — происходило вполне успешно, в результате чего получалось жизнеспособное и фертильное потомство. Напротив, скрещивание в другом направлении (реципрокное) не давало потомства совсем. Самки G. firmus, скрещиваясь с самцами G. pennsylvanicus, откладывали яйца в небольшом количестве, но личинки из яиц не вылуплялись. Предварительные исследования показали, что яйца по морфологии не отличались от неоплодотворенных яиц, из чего следует, что, скорее всего, дело здесь не в проблемах эмбрионального развития. Возникает вопрос, что же всё-таки происходит на этапе после копуляции и до образования зиготы.

В новой работе Харрисон с соавторами исследовали несколько вопросов. Во-первых, конкурирует ли сперма от конспецифического (КС) и гетероспецифического (ГС) самцов в половых путях самки; во-вторых, как сохраняется сперма от ГС-самца и не меняются ли ее качества; и в-третьих, происходит ли оплодотворение яиц G. firmus спермой G. pennsylvanicus.

Исследования конкуренции спермы авторы проводили с помощью микросателлитного анализа на скрещиваниях самок G. pennsylvanicus с самцами G. firmus. Было проведено четыре серии скрещиваний: 1) самка с двумя КС-самцами, 2) с двумя ГС-самцами, 3) вначале с КС-самцом, потом с ГС-самцом, 4) вначале с ГС-самцом, потом с КС-самцом. Для анализа использовали 8 микросателлитных локусов ядерной ДНК. Молекулярный анализ потомства, полученного от четырех типов скрещиваний, показал полное отсутствие конкуренции спермы во всех случаях. То есть количество потомков, полученных от первого и от второго самца, было одинаково во всех сериях скрещиваний (рис. 2).

Рис. 2. Среднее относительное количество потомков на самку Gryllus pennsylvanicus, полученных от первого копулировавшего самца (белый столбик) и второго самца (черный столбик). Во всех случаях различия недостоверны, о чём свидетельствуют значения P; в скобках стандартная ошибка. По горизонтальной оси — серии скрещиваний (например, PFF: самка скрещивалась с двумя самцами firmus, PFP: самка скрещивалась вначале с firmus, потом с pennsylvanicus). Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Evolutionary Biology

Чтобы померить количество спермы в сперматеке (органе женской половой системы беспозвоночных, который служит для хранения спермы) и подвижность сперматозоидов, авторы извлекали сперматеку из самки спустя 24 часа после последней копуляции. Размеры сперматеки оценивали с помощью бинокуляра при увеличении изображения в 50 раз, а подвижность сперматозоидов исследовали под микроскопом при увеличении в 400 раз. Сперматека самок G. firmus была в среднем одного размера независимо от того, с каким самцом (firmus или pennsylvanicus) произошла копуляция. Число подвижных сперматозоидов, полученных от кон- и гетероспецифического самцов, по оценкам авторов, также достоверно не различалось.

Итак, оставалось исследовать, происходит ли оплодотворение яиц G. firmus спермой G. pennsylvanicus. Для этого авторы визуализировали ядра яйцеклетки с помощью флуоресцентной краски DAPI, которая легко проникает через мембраны клеток. Известно, что у сверчков рода Gryllus оплодотворение происходит непосредственно перед откладкой яиц. Сразу после откладки можно увидеть единственное ядро у дорсальной поверхности яйца. Примерно через час происходит первое деление мейоза, а через три часа — второе деление мейоза. После завершения мейоза женское ядро или пронуклеус (см. Pronucleus) мигрирует к вентральной стороне яйца, где происходит слияние женского и мужского ядер, после чего начинаются митотические деления. В неоплодотворенных яйцах мейоз останавливается на стадии метафазы первого деления, однако он может продолжиться и даже закончиться при действии некоторых внешних стимулов, например при абсорбции воды. В то же время, митоз в неоплодотворенных яйцах обычно не происходит. Поэтому авторы считали яйца оплодотворенными в тех случаях, когда фиксировали более четырех ядер на вентральной стороне яйца или рассеянные в цитоплазме. Соответственно, яйца считались неоплодотворенными, если фиксировали менее четырех ядер на дорсальной стороне яйца.

Что же показало исследование яиц G. firmus? Большинство яиц, полученных от конспецифических скрещиваний (96,86%), было оплодотворено и развитие происходило нормально (рис. 3а–b). Напротив, большинство яиц, полученных от гетероспецифических скрещиваний (95,88%), было неоплодотворено (рис. 3с). У малого процента оплодотворенных гетероспецифической спермой яиц начинались митотические деления, но яйца быстро погибали (рис. 3d).

Рис. 3. Распределение ядер в яйцеклетках Gryllus firmus в период раннего развития. (а) Яйцо самки, копулировавшей с конспецифическим самцом, в период 0–5 часов после яйцекладки. Два женских ядра (пронуклеус и полярное тельце, Polar body) видны у дорсальной поверхности, и мужской пронуклеус виден у вентральной поверхности яйца. (b) Яйцо самки, копулировавшей с конспецифическим самцом, в период 24–48 часов после яйцекладки. Яйцо содержит примерно 2000 ядер, рассеянных в цитоплазме. (с) Яйцо самки, копулировавшей с гетероспецифическим самцом, в период 24–48 часов после яйцекладки. Видны только два женских ядра. (d) Яйцо самки, копулировавшей с гетероспецифическим самцом, в период 24–48 часов после яйцекладки. Яйцо содержит около 14 ядер, не достигших периферии яйца. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Evolutionary Biology

Итак, авторы не обнаружили конкуренции спермы от разных самцов в половых путях самок G. pennsylvanicus. Они также не нашли различий в количестве и в степени подвижности спермы кон- и гетероспецифического самцов в половых путях самок G. firmus. Различия были найдены лишь при исследованиях яиц самок G. firmus. В том случае, когда самка спаривалась с самцом G. pennsylvanicus, подавляющее число яиц не было оплодотворено: не было обнаружено мужского ядра и митоз не начинался. В тех яйцах, в которых митоз начинался, но обрывался на ранних стадиях, мужское ядро также не было обнаружено. Это свидетельствует о том, что оплодотворения не происходило и в этих случаях. Из литературы известно, что у насекомых женский пронуклеус иногда может проходить через митотические деления. Известно даже развитие неоплодотворенных яиц у старых самок сверчков и выплод из этих яиц личинок.

Авторы делают заключение, что оплодотворение яиц гетероспецифической спермой не происходит, скорее всего, из-за несовместимости белков сперматозоидов с рецепторами яйцеклетки. Харрисон с соавторами (Andres et al., 2006. Molecular Evolution of Seminal Proteins in Field Crickets, PDF, 186 Кб) показал, что белки семенной жидкости очень быстро эволюционируют у сверчков. Этот же феномен был показан на дрозофилах, у которых скрещивание близкородственных видов в одном направлении также не давало гибридов. Тонкие механизмы этого барьера пока не исследованы, но авторы надеются на продолжение работы.

Источник: E. L. Larson, G. L. Hume, J. A. Andres, R. G. Harrison. Post-mating prezygotic barriers to gene exchange between hybridizing field crickets // Journal of Evolutionary Biology. Article first published online 17 November 2011.

См. также: 1) Зафиксирован начальный этап видообразования у тропических бабочек, «Элементы», 09.11.2009. 2) Генетическая несовместимость нарастает по параболе, «Элементы», 26.09.2010. 3) Хромосомные инверсии ускоряют симпатрическое видообразование, «Элементы», 07.10.2010.

Варвара Веденина

‹‹