Исследование дрозофил проливает свет на эволюцию сперматозоидов
Сперматозоиды — самый разнообразный и быстро эволюционирующий тип клеток. Почему они претерпели столь драматическую эволюцию, оставалось загадкой для биологов более века.
Чтобы решить эту эволюционную головоломку, исследователи из Центра репродуктивной эволюции (CRE) Сиракузского университета десятилетиями изучали брачную биологию плодовых мушек. Эти внешне ничем не примечательные насекомые скрывают внутри грандиозный репродуктивный секрет: гигантские сперматозоиды.
Дрозофилы демонстрируют большее разнообразие в длине сперматозоидов, чем все остальное животное царство вместе взятое. Например, самцы одного вида, Drosophila bifurca, осеменяют партнерш всего несколькими десятками сперматозоидов, каждый из которых достигает гигантских 5.8 см в длину (примерно в 20 раз длиннее тела самки) и свернут, как клубок пряжи.
Исследования показали, что более длинные сперматозоиды были благоприятны для полового отбора, теоретические основы которого заложил Чарльз Дарвин в 1871 году в своей основополагающей книге "Происхождение человека и половой отбор".
По сути, длинные хвосты сперматозоидов эволюционировали, потому что они лучше приспособлены к битве за оплодотворение яйцеклеток, а женские репродуктивные тракты устроены так, чтобы благоприятствовать более длинным сперматозоидам. Длинные хвосты сперматозоидов — это клеточный, посткопулятивный эквивалент павлиньих хвостов.
Возможность проверить основы теории полового отбора долгое время сдерживалась ограниченной информацией о генетике, лежащей в основе таких признаков.
Однако новое исследование Центра репродуктивной эволюции в сотрудничестве с учеными из Стэнфордского, Корнеллского университетов, Виргинского политехнического института и Цюрихского университета проливает свет на генетику длины сперматозоидов дрозофил и женского репродуктивного органа, ответственного за их эволюцию.
Результаты и методы исследования
Результаты, опубликованные в журнале Nature Ecology & Evolution, могут углубить понимание всех предпочтений при выборе партнера и половых украшений.
Измерения и секвенирование: Команда измерила длину сперматозоидов и длину семяприемника (SR) самки (анатомической основы "выбора сперматозоидов") у 149 видов дрозофил. После секвенирования полных геномов всех этих видов (опубликовано в PLOS Biology) исследователи нанесли признаки на древо жизни дрозофил, чтобы показать, как эти взаимодействующие мужские и женские признаки совместно эволюционировали за последние 65 миллионов лет.
Поиск генов-кандидатов: С помощью подхода "полногеномного поиска ассоциаций" были идентифицированы гены-кандидаты, лежащие в основе вариаций длины сперматозоидов и SR у лабораторной модели Drosophila melanogaster. Удивительно, но только около 19% генов, определяющих вариацию длины сперматозоидов, показали предвзятую экспрессию в семенниках и, как известно, кодируют сперматогенез.
Неожиданная связь: Большинство выявленных генов, кодирующих длину сперматозоидов, в первую очередь отвечают за развитие и функционирование центральной нервной системы, а также за зрение и обоняние. Генетическая вариация длины сперматозоидов также коррелировала с пожизненной плодовитостью самок, устойчивостью к голоданию и способностью находить пищу.
Выводы и значение
Через эволюцию репродуктивных трактов, предназначенных для предоставления преимущества самцам с более длинными сперматозоидами, половой отбор предоставил самкам средство для сравнительного "шопинга" за "хорошими генами" — теми, которые повышают выживаемость и репродуктивный успех, — чтобы передать их потомству.
Для подтверждения результатов сложный алгоритм (и примерно 15 миллионов часов вычислительного времени в сети OrangeGrid Сиракузского университета) использовался для идентификации генов, скорость эволюции нуклеотидной последовательности которых значимо коррелирует с эволюцией длины сперматозоидов и SR на видовом древе. Этот подход подтвердил генетическое перекрытие между длиной сперматозоидов и развитием и функцией нервной системы.
Такой комплексный подход обещает расширить не только понимание эволюционной генетики сперматозоидов, но и фундаментальных аспектов биоразнообразия.