Большинство биологов-эволюционистов отличают один вид от другого на основе репродуктивности: представители разных видов либо не хотят, либо не могут спариваться друг с другом, или, если они это делают, получающееся потомство часто оказывается бесплодным, нежизнеспособным или страдают от какого-либо другого вида снижения физической формы.
На протяжении большей части 20-го века ученые считали, что эта репродуктивная несовместимость постепенно развивалась между видами как побочный продукт адаптации к различным экологическим обстоятельствам: если два вида были географически изолированы, они адаптировали бы различия в зависимости от окружающей среды. Новое исследование, проведенное в Университете Рочестера в сотрудничестве с Университетом Небраски, показывает, однако, что есть и другие факторы, влияющие, в частности, на наличие эгоистичных генов, называемых элементами мейотического драйва, потоки которых между видами могут определять, сблизятся ли два вида. или расходятся. В новой статье, опубликованной в журнале eLife, исследователи показывают, что половые хромосомы эволюционируют, чтобы стать генетически несовместимыми между видами, быстрее, чем остальные генетические хромосомы, и раскрывают факторы, играющие роль в этой несовместимости.
Когда два представителя вида спариваются и обмениваются генетическим материалом, это называется потоком генов. Однако при спаривании двух представителей разных видов поток генов уменьшается. «Гены одного вида просто не могут общаться с генами другого вида», - говорит Дейвен Пресгрейвс, профессор биологии в Рочестере. Хотя гены могут прекрасно работать на своем собственном генетическом фоне, когда они переносятся на генетический фон другого вида, они имеют негативные последствия.«Все копии генов у вас и у меня работают в человеческом геноме. Но если бы мы взяли ген из вас и вставили его в попугая ара, они не видели этой последовательности раньше, и она могла бы не работать вместе с другие гены. Это поставит под угрозу какую-то функцию, например фертильность».
Вот что произошло, когда Пресгрейвс и сотрудники его лаборатории скрестили два разных вида плодовых мушек, одного из Мадагаскара, а другого с острова Маврикий. Когда два вида были скрещены, их гибридные потомки женского пола были плодовитыми, но гибридные потомки мужского пола были полностью бесплодны. «Одним из шагов на пути к полной репродуктивной изоляции является то, что пол XY становится бесплодным первым в процессе постепенного нарастания несовместимости», - говорит Пресгрейвс. У плодовых мушек, как и у людей, пол XY - мужской.
Хромосомы делятся на два типа: аллосомы, или половые хромосомы, и аутосомы, или хромосомы тела. Генетические признаки, связанные с полом организма, передаются через половые хромосомы. Остальная генетическая наследственная информация передается через аутосомы. Когда исследователи сопоставили факторы, из-за которых гибридные самцы становятся бесплодными, они обнаружили, что на Х-аллосоме гораздо больше факторов несовместимости, чем на аутосомах. Это означает, что половые хромосомы становятся функционально разными у разных видов гораздо быстрее, чем неполовые хромосомы, говорит Пресгрейвс. «Между аутосомами происходит гораздо больший обмен, чем на X».
Но что заставляет половые хромосомы накапливать генетическую несовместимость быстрее, чем остальной геном?
Исследователи обнаружили, что класс «эгоистичных генов», называемых элементами мейотического драйва, отвечает за то, что половые хромосомы становятся генетически несовместимыми с большей скоростью. В общем, эгоистичные гены являются паразитами генома - они размножаются за счет других генов. Элементы мейотического влечения, в частности, саботируют правила типичного наследования: при нормальном менделевском наследовании ген передается половине потомства. Однако элементы мейотического влечения манипулируют репродукцией, поэтому они могут передаваться в большую часть генома, чем им положено. У гибридных самцов плодовых мушек элементы мейотического драйва обычно убивают любые сперматозоиды, которые их не несут, оставляя только (или в основном) сперматозоиды, которые несут мейотические драйвовые элементы.
«Это может быть связано с тем, что множественные элементы мейотического влечения от обоих родительских видов не подавлены у гибридов, и их совместное действие вызывает бесплодие», - говорит Колин Мейкледжон, бывший аспирант в лаборатории Пресгрейвса.
Однако, как ни странно, исследователи также обнаружили, что если элементы мейотического драйва способны испытывать поток генов, они также могут способствовать сближению видов. В период раннего видообразования, когда два разных вида только начинают отделяться друг от друга, репродуктивная несовместимость может быть неполной и «дырявой» - какая-то часть генома еще может быть совместима и обмениваема.
«Если две популяции негерметичны и есть возможность для потока генов, эгоистичный ген может просочиться в другую популяцию и распространиться там», - говорит Пресгрейвс. Если виды скрещиваются между собой и этот эгоистичный ген может передаваться из поколения в поколение вместо того, чтобы становиться несовместимым, «эта часть генома станет идеально заменяемой. В некоторых случаях эгоистичный ген в основном стирает накопление несовместимости для части геном."
Иными словами, элементы мейотического драйва могут вызывать несовместимость между видами, если они не испытывают потока генов, или они могут вызывать конвергенцию видов, если эти виды действительно испытывают поток генов. По словам Пресгрейвса, главный фактор в определении того, совместимы ли виды, зависит от того, существует ли поток генов между видами. «Виды, даже те, которые географически изолированы, гораздо более негерметичны, чем мы думали».