Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Делеции, имеющихся в разных линиях, в общей сложности покрывают почти весь геном. Авторы скрещивали самок из этих линий (напомним, все они относятся к виду melanogaster) с самцами simulans и santomea. От таких межвидовых скрещиваний рождаются только самки. Потомство мужского пола погибает на ранних стадиях.
Здесь нужно сделать небольшое отступление, чтобы объяснить, почему так получается. Дело в том, что у самцов дрозофил, как и у людей, только одна X-хромосома, а у самок — две. Поэтому гены, расположенные в X-хромосоме, у самцов имеются в единственном экземпляре. Если хоть в одном из них имеется летальная мутация, самец обречен. У самки же есть вторая копия X-хромосомы, в которой данный ген может быть нормальным. Нормальная копия гена «перекрывает» действие испорченной копии, и муха выживает.
Что же за летальные мутации сидят в генах Х-хромосомы гибридных самцов? Это, очевидно, те самые «гены несовместимости», ради поиска которых все и было затеяно. Они конфликтуют с какими-то другими генами в геноме того вида, которому не принадлежит данная X-хромосома. Причем из того факта, что гибридные самки все-таки выживают, можно сделать вывод, что все «гены несовместимости» в данной паре видов рецессивны. Допустим, если несовместимыми являются гены A2 и B2, причем ген B расположен на Х-хромосоме, то гибридные самки с генотипом A1A2B1B2 будут жить, а самцы с генотипом A1A2B2 погибнут.
Итак, при скрещивании самки melanogaster с самцом simulans или santomea все потомство состоит из дочерей. Причем эти дочери будут двух типов. Первому типу достанется от матери, самки melanogaster, хромосома с отсутствующим кусочком. У таких гибридных мух соответствующий кусочек будет присутствовать в единственном экземпляре — в парной хромосоме, полученной от отца. Таким образом, отцовские гены, расположенные в этом кусочке, окажутся в «оголенном» (гемизиготном) состоянии — как если бы они сидели в X-хромосоме самца. Если в этом фрагменте хромосомы имеется рецессивный «ген несовместимости», гибридные самки будут иметь пониженную жизнеспособность или вообще погибнут. Второй тип дочерей получит от матери melanogaster целую хромосому с меткой (по метке можно определить, к какому из двух типов относится данная гибридная самка). Все гены будут в двух экземплярах, и рецессивная несовместимость не проявится, т. е. все самки второго типа должны выжить.
Таким образом, по количественному соотношению гибридных дочерей первого и второго типа можно определить, содержится ли в данном кусочке хромосомы «ген несовместимости». Если обоих типов примерно поровну — значит, «гена несовместимости» там нет; если самок первого типа оказалось существенно меньше, чем второго, значит, он там есть.
Схема экспериментов с дрозофилами. Хромосомы melanogaster (mel) показаны косой штриховкой, хромосомы santomea (san) — серым цветом. Скрещивается самка melanogaster с самцом santomea. Самая короткая — Y-хромосома, X-хромосома подлиннее. Черным показан отсутствующий участок хромосомы (в данном случае — X-хромосомы). Хромосома с отсутствующим участком помечена буквами df (от deficiency). Вторая X-хромосома самки melanogaster — целая и помеченная доминантной мутацией Bar. В результате межвидового скрещивания получаются гибридные дочери двух типов: одни несут «целую» материнскую хромосому с меткой, другие получают от матери «урезанную» хромосому df. По выживаемости дочерей второго типа можно понять, есть ли в том кусочке ДНК, который был вырезан из хромосомы df, «ген несовместимости». Из Matute et al., 2010.
Таким непростым способом, скрещивая самок из пятисот линий melanogaster с различными делециями с самцами simulans и santomea, авторы просканировали 80 % мушиного генома в поисках «генов несовместимости». Им удалось выявить десять участков, содержащих «гены несовместимости», в паре melanogaster — simulans. В паре melanogaster — santomea таких участков оказалось 65, т. е. в 6,5 раза больше. Можно заметить, что эта величина близка к числу, предсказанному моделью Добжанского — Мёллера (5,74). При помощи сложных статистических методов авторы подтвердили, что их результаты гораздо лучше соответствуют предсказанию модели Добжанского — Мёллера об ускоряющемся, параболическом росте числа «генов несовместимости», чем альтернативной гипотезе о линейном росте. Так классическая модель наконец-то получила красивое подтверждение.
Вторая работа была выполнена на растениях рода Solanum (паслен) сотрудниками Мемфисского и Индианского университетов (Moyle, Nakazato, 2010). Использовалось не три, как в первом исследовании, а четыре близких вида, различающихся по времени расхождения. Здесь тоже авторам понадобилась громадная коллекция подопытных линий, но на этот раз это были линии не мух, а томатов, и различались они не делециями, а небольшими фрагментами геномов диких видов рода Solanum, «встроенными» в геном томата. Получены эти линии были путем межвидовой гибридизации и последующих многократных «возвратных» скрещиваний с помидорами. Для каждой линии было известно, какой именно чужеродный фрагмент внедрился в ее геном. У каждой линии авторы измерили жизнеспособность семян и пыльцы. Если в данной линии оба показателя были в норме, из этого делался вывод, что фрагмент ДНК чужого вида, встроившийся в геном этой линии, не содержит «генов несовместимости». Таким способом удалось подсчитать, как и в первом исследовании, число участков генома, содержащих «гены несовместимости». Расчеты проводились раздельно для жизнеспособности семян и пыльцы.
Результаты по жизнеспособности семян полностью совпали с предсказанием модели Добжанского — Мёллера: число «генов несовместимости», влияющих на этот признак, растет пропорционально квадрату генетической дистанции. С пыльцой, правда, получился отрицательный результат: число «генов несовместимости», влияющих на этот признак, по мере увеличения генетической дистанции растет линейно, а не по параболе. Почему — пока не ясно. Авторы предполагают, что на стерильность пыльцы сильно влияют не попарные, а более сложные взаимодействия между многими локусами.
Так или иначе, обоим научным коллективам удалось получить эмпирические подтверждения адекватности модели Добжанского — Мёллера по крайней мере для некоторых ситуаций. Отрадно, что классики и на этот раз оказались недалеки от истины.
Вид из пробирки
Биологи давно мечтали воспроизвести процесс видообразования в лаборатории. Успехи в этой области достигнуты немалые. Все этапы и «слагаемые» этого процесса, как выяснилось, вполне воспроизводимы в эволюционном эксперименте. И если биологи то и дело не объявляют торжественно об искусственном создании настоящего нового вида, то только из-за расплывчатости критериев вида, о которой говорилось выше. Причем среди применяемых критериев есть и такие, которые просто «по определению» не позволяют назвать новым видом что-либо выведенное в лаборатории (или обособившееся недостаточно давно).
Хотя существует множество «хороших» (признаваемых большинством специалистов) видов, способных скрещиваться друг с другом и давать плодовитое гибридное потомство, главным критерием вида для организмов с половым размножением все-таки считается репродуктивная изоляция. Именно на ней чаще всего и сосредоточиваются усилия биологов, ставящих эксперименты по искусственному видообразованию.
В одних экспериментах изучают зарождение презиготической изоляции. Для этого разные линии подопытных организмов подвергают разнонаправленному отбору (например, помещают в контрастные неблагоприятные условия и выращивают в течение многих поколений), а затем смотрят, не отбило ли у них охоту к перекрестному скрещиванию. Иногда охоту действительно отбивает, животные начинают избирательно скрещиваться со «своими», т. е. теми, чьи предки приспосабливались к таким же условиям (мы еще поговорим об этих опытах).
В других экспериментах изучают формирование постзиготической изоляции, т. е. пониженной приспособленности гибридов. Эти работы показали, что под действием разнонаправленного отбора такая изоляция может сформироваться гораздо быстрее, чем за счет одного лишь случайного накопления различий «по Добжанскому — Мёллеру». Ранее это было показано на тлях (Шапошников, 1965) и дрозофилах (Oliveira, Cordeiro, 1980), а недавно был проведен важный эксперимент на дрожжах (Dettman et al., 2007), с которого мы и начнем.
Дрожжи размножаются как половым путем, так и бесполым — почкованием. Биологи из Университета Торонто (Канада) получили из одной родительской диплоидной клетки 12 подопытных популяций. Изначально все они были генетически идентичны, но потом в результате мутаций и отбора могли накапливать различия. Популяции выращивали в течение 500 поколений в контрастных неблагоприятных условиях: шесть популяций при повышенной солености, шесть — в «голодной» среде с низким содержанием глюкозы. Контрольную (предковую) линию продолжали растить в нормальной среде.
