Сохранение мужских генов после утраты самцов у палочников
При эволюционной утрате признаков, гены, лежащие в их основе, обычно также деградируют. Однако в природе есть примеры повторного появления однажды утраченных признаков у потомков.
Как отмечает Джоббе Форни из Болонского университета, "наложение наличия и отсутствия признаков на филогенетическое дерево видов предполагает, что некоторые признаки могли быть утрачены в линиях, ведущих к ныне существующим видам, а затем восстановлены. Крылья у палочников считаются одним из самых показательных примеров этого процесса".
Это означает, что гены, ответственные за эти признаки, могут сохраняться миллионы лет. Однако молекулярные механизмы такого сохранения оставались малоизученными.
Новое исследование в Genome Biology and Evolution проливает свет на утрату другого сложного признака у некоторых палочников — способности производить самцов. Это приводит к появлению популяций только из самок, размножающихся партеногенезом (бесполым размножением). Исследование показывает, что гены, тесно связанные в регуляторных сетях и участвующие в нескольких биологических процессах, могут сохраняться долго после утраты признака, создавая возможность для его повторного появления в эволюции.
Сравнительный анализ трёх видов
Учёные (Форни, Барбара Мантовани, Александр С. Михеев, Андреа Лукетти) провели сравнительный анализ трёх видов рода Bacillus:
- Bacillus grandii marettimi — популяции с самцами и самками, размножаются половым путём.
- Bacillus atticus — популяции только из самок, размножаются партеногенезом.
- Bacillus rossius — включает как половые, так и партеногенетические популяции.
Целью было изучить сохранность генов, вовлечённых в мужское размножение, после утраты признака.
Ключевые результаты
- Отсутствие деградации мужских генов: В партеногенетических видах гены, связанные с самцами, не показали признаков ослабленного отбора или ускоренной эволюции по сравнению с генами, связанными с самками.
- Сохранение паттернов экспрессии: Паттерны экспрессии мужских генов частично сохранились у обоих партеногенетических видов.
- Роль плейотропии: Гены из "мужских" сетей экспрессировались не только в репродуктивных тканях самцов, но и самок (как половых, так и партеногенетических). Это указывает, что мужские гены могут играть роль и в женской репродукции. Такое вовлечение гена в несколько процессов (плейотропия) может объяснять их сохранение.
- Влияние сетевой связанности: Гены, имеющие множество связей с другими генами в сети, с большей вероятностью экспрессировались в репродуктивных тканях партеногенов.
Выводы и значение
По словам Форни, полученные данные указывают, что "молекулярный базовый план однажды утраченного мужского репродуктивного процесса может сохраняться благодаря плейотропным эффектам на другие признаки. Разные гены могут иметь разные траектории сохранения и деградации в зависимости от уровня плейотропии в генно-регуляторной сети".
Исследование не только объясняет сохранение генетической архитектуры после утраты признака, но и даёт возможное объяснение появлению редких самцов и скрытого полового размножения, которые наблюдаются у всё большего числа линий, считавшихся давно утратившими самцов.
Форни подчёркивает важность дальнейших исследований на более широком наборе видов: "Хотя комплекс видов Bacillus предоставляет хорошую модель, необходимо анализировать более крупные видовые комплексы, где произошло множество переходов между репродуктивными стратегиями... Крайне важно проверять наши гипотезы в более широком контексте, уделяя больше внимания удивительному разнообразию организмов".