Различие в числе хромосом не препятствует скрещиванию горошковых белянок

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. Статья, поддержанная грантом Российского научного фонда, была опубликована в журнале Frontiers in Genetics. Кратко о результатах исследования рассказывает пресс-релиз РНФ.

Хромосомные различия (то есть разные формы, размер и количество хромосом) служат препятствием для межвидового скрещивания. 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,  или горчичницы (Leptidea sinapis). В норме при первом делении мейоза гомологичные пары хромосом расходятся, и дочерние клетки получают равноценные половинчатые наборы (редукция числа хромосом), затем дочерние клетки делятся еще раз. Как правило, у гибридов разница в хромосомах между родителями нарушает такое деление. Но у горошковой белянки наблюдается инвертированный мейоз: редукционное и обычное деления меняются местами. В результате во втором делении происходит более сбалансированная передача генетического материала.

Авторы исследования 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. Затем они наблюдали кариотипы (хромосомные наборы) четырех поколений этих гибридов. 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 руководитель проекта по гранту РНФ Владимир Лухтанов, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Зоологического института РАН и профессор Санкт-Петербургского государственного университета.