Определение пола у нематод Bursaphelenchus: путь к контролю над вредителями

Пол и половые характеристики — ключевые аспекты жизни организма, определяемые биологическим процессом, известным как определение пола. Эти механизмы, постоянно эволюционирующие, в целом классифицируются по типу «переключателя», который их запускает. Генетическое определение пола зависит от половых хромосом, таких как X и Y у человека, тогда как экологическое определение пола зависит от факторов вроде температуры и локального соотношения самцов и самок. Хотя большинство механизмов генетические или экологические, существует и третий тип — зависящий от полностью случайных факторов, который ещё не до конца изучен.

Механизм определения пола у нематоды Caenorhabditis elegans — один из наиболее изученных аспектов её биологии. У этого вида эмбрионы с двумя X-хромосомами (XX) развиваются в гермафродитов, а эмбрионы XO (с одной X-хромосомой) — в самцов. У многих видов нематод механизм схож. Однако некоторые виды также полагаются на систему XX/XY (с хромосомами X и Y) или на факторы среды. Причины такого разнообразия у нематод оставались загадкой.

Группа исследователей под руководством доцента Рёдзи Шини (Университет Мэйдзи, Япония), профессора Пола Стернберга (Калифорнийский технологический институт, США) и доцента Тайсэя Кикути (Университет Миядзаки, Япония) изучила определение пола у двух видов нематод — Bursaphelenchus xylophilus и Bursaphelenchus okinawaensis. В новом исследовании они провели полоспецифичный сравнительный анализ геномов, чтобы определить начальный триггер определения пола, и генетический скрининг для определения последующей генетической каскадной реакции.

В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи сообщают, что у B. xylophilus нет различий в числе хромосом или геноме между самцами и самками, а у B. okinawaensis — между самцами и гермафродитами. Это указывает, что у этих полов в обоих видах идентичные геномы и отсутствуют половые хромосомы. Следовательно, определение пола у этих видов должно происходить посредством негенетических механизмов.

Анализ влияния факторов среды (температура, доступность питательных веществ, плотность популяции) показал их минимальный эффект на определение пола у личинок этих видов; ни одна личинка не превратилась в самца.

Поскольку потомство, полученное в результате самооплодотворения у B. okinawaensis, по сути является изогенными клонами, ясно, что генетические различия не требуются для определения пола у этого вида. Более того, даже в фиксированных условиях среды генетически идентичные особи B. okinawaensis дифференцируются в гермафродитов и самцов. Команда предполагает, что пол у B. okinawaensis определяется в основном стохастической экспрессией неизвестного триггерного гена и/или «шумом» развития. Иными словами, половая дифференциация происходит в результате случайных событий в ходе развития.

Сравнение ортологов (генов, связанных общим происхождением) у C. elegans, B. xylophilus и B. okinawaensis показало, что консервативны только нижележащие (downstream) гены у этих трёх нематод. Это указывает, что род Bursaphelenchus имеет иной триггер определения пола, чем C. elegans. Генетический анализ также выявил один главный локус, определяющий пол у B. okinawaensis, — Bok-tra-1a. Использование биоинформатики и RNA-секвенирования показало консервацию предполагаемых мишеней этого регуляторного гена, что дополнительно подтверждает сохранение нижележащих функций. Это означает, что половая дифференциация нематод могла эволюционировать от этого нижележащего регулятора.

«Наше открытие поразительного нового способа определения пола в типе нематод может помочь не только в лабораторных исследованиях паразитических нематод, но и внести вклад в популяционную инженерию», — отмечает доктор Шиня.

Указывая на важность этих находок для контроля вредителей, доктор Шиня говорит: «Ущерб от фитопаразитических нематод оценивается в 80 миллиардов долларов США в год. Обычные нематоциды вредны для окружающей среды. Понимание механизмов определения пола у фитопаразитических нематод может помочь в создании стерильных штаммов, которые не являются паразитическими, но могут безопасно и устойчиво сокращать популяции нематод».