Эффективный подход к синтезу стерильных аллополиплоидов в полиплоидном комплексе Carassius

Полиплоидия считается основной движущей силой видообразования, так как полиплоиды обладают преимуществами в буферизации генома, закреплении гетерозиса и эволюции пластичности. С точки зрения сельского хозяйства и аквакультуры, полиплоидия — ключевой фактор доместикации растений и рыб, поскольку полиплоиды часто обладают экономически выгодными признаками: повышенной урожайностью, улучшенным качеством и усиленной адаптивностью.

Важно, что полиплоидия может приводить к смене способа размножения, благоприятствуя возникновению однополого размножения. Более 60% однополых видов или биотипов позвоночных являются полиплоидами. Некоторые из них сосуществуют симпатрически с близкородственным раздельнополым диплоидным видом, образуя комплексы «половой диплоид — однополый полиплоид».

В недавнем исследовании, опубликованном в Science Bulletin, группа под руководством профессора Гуй Цзяньфана из Института гидробиологии Китайской академии наук обнаружила уникальный способ размножения в полиплоидном комплексе Carassius и разработала эффективный подход для синтеза стерильных аллополиплоидов.

Природный полиплоидный комплекс Carassius состоит из раздельнополого амфидиплоида (A2n) C. auratus и гиногенетического амфитриплоида (A3n) C. gibelio. Интегрировав геномы гиногенетического C. gibelio и раздельнополого C. auratus, исследователи получили новых амфитриплоидов (NA3n) и обнаружили, что у большинства самок NA3n (NA3n♀I) восстановился гиногенез.

У немногих самок NA3n (NA3n♀II) был обнаружен уникальный способ размножения — амеофузиогенез, сочетающий способности к амейотическому оогенезу и слиянию сперматозоида с яйцеклеткой. Эти самки унаследовали амейотический оогенез для производства нередуцированных яйцеклеток от C. gibelio и слияние половых клеток от C. auratus. Это открытие предоставило возможность эффективно синтезировать новые аллополиплоиды с более высокой плоидностью.

Используя этот уникальный способ размножения, исследователи получили группу синтетических аллогептаплоидов, скрестив NA3n♀II с Megalobrama amblycephala. Синтетические аллогептаплоиды содержали все хромосомы материнской NA3n♀II и хромосомный набор отцовской M. amblycephala. В нескольких соматических клетках также наблюдалась межгеномная транслокация хромосом между NA3n♀II и M. amblycephala.

Изучая цитологический механизм бесплодия синтетических аллогептаплоидов, исследователи проанализировали сборку синаптонемного комплекса, динамику образования и репарации двунитевых разрывов ДНК в первичных ооцитах и сперматоцитах во время профазы I мейоза. Первичные ооциты аллогептаплоида подвергались сильному апоптозу из-за неполной репарации двунитевых разрывов в профазе I. Хотя сперматоциты демонстрировали сходное поведение хромосом в профазе I, их апоптоз был вызван нарушением расхождения хромосом в метафазе I.

Для массового производства стерильных аллогептаплоидов требовалось большое количество NA3n♀II. Поэтому исследователи создали устойчивый клон для крупномасштабного производства NA3n♀II с режимом амеофузиогенеза и разработали эффективный подход для синтеза разнообразных аллополиплоидов, содержащих геномы разных видов карповых.

Это исследование раскрывает уникальный способ размножения в полиплоидном комплексе Carassius и дает новое представление о связи между полиплоидией и сменой способа размножения.