Сотрудники Института систематики и экологии животных СО РАН (Новосибирск) с коллегами выяснили, что женская половая хромосома сибирского шелкопряда — опасного вредителя лесов — произошла от её мужского «аналога». К такому выводу авторы пришли, расшифровав геном насекомого и сравнив последовательности его мужских и женских хромосом между собой и с хромосомами родственных видов.
Это открытие позволяет лучше понять, как генетически определяется пол у насекомых, и потенциально может помочь в поиске методов борьбы с вредителями лесов. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.
Чешуекрылые, или бабочки составляют около 10 % всех известных видов живых существ. Несмотря на такую многочисленность и распространённость, до сих пор учёным мало что известно о механизмах формирования пола у разных видов. У людей мужской пол определяется хромосомами XY, а женский — ХХ. У большинства бабочек женский пол обозначается комбинацией хромосом WZ, а мужской — ZZ. Однако женские W-хромосомы у разных видов сильно отличаются, и их последовательности часто оказывается сложно «прочитать». Поэтому долгое время оставалось непонятно, как эти хромосомы возникли и как эволюционируют.
Бабочка сибирского шелкопряда и ядра клеток
Авторы работы впервые расшифровали последовательность W-хромосомы сибирского шелкопряда — опасного вредителя хвойных лесов, широко распространённого на территории России. Они извлекли ДНК из самки этого насекомого и с помощью нескольких высокоточных технологий «чтения» генома определили последовательности 30 хромосом, в которых собрана вся генетическая информация сибирского шелкопряда.
Биологи смогли проанализировать трудночитаемую W-хромосому, что происходит нечасто, и выяснили, что более 80 % её последовательности состоит из повторяющихся элементов, похожих на ДНК вирусов и транспозоны — так называемые «прыгающие гены». Большинство таких участков оказались генетически «молодыми», и это говорит о том, что современная последовательность W-хромосомы у самок сибирского шелкопряда сформировалась относительно недавно — значительно позже других хромосом.
Кроме того, в последовательности W-хромосомы сибирского шелкопряда исследователи нашли встроенные фрагменты ДНК бактерии вольбахии (Wolbachia), которая живет в клетках многих насекомых, в том числе сибирского шелкопряда. Поскольку этот микроорганизм наследуется исключительно по женской линии, он существенно влияет на физиологию организма хозяина, приводя к снижению выживаемости мужских зародышей, изменению внешнего вида заражённых самцов и ряду других проявлений.
Леса, поражённые сибирским шелкопрядом
Исследователи сравнили W-хромосому сибирского шелкопряда с мужской Z-хромосомой того же вида. Оказалось, что они имеют довольно схожие протяжённые участки, особенно на концах. Это стало первым прямым доказательством того, что женская хромосома у шелкопряда появилась в результате копирования мужской и последующего её сильного изменения.
Чтобы проверить, уникальный ли это случай, авторы изучили женские половые хромосомы у двух других видов из того же семейства. Оказалось, что у каждого из этих видов W-хромосома также возникла из соответствующей мужской Z-хромосомы. Это значит, что в ходе эволюции у разных видов в процессе их становления W-хромосомы появлялись много раз независимо, но по одному и тому же сценарию.
«Важный практический результат нашей работы состоит в том, что мы обнаружили гены бактерии вольбахии, встроенные в женскую хромосому сибирского шелкопряда. Поскольку вольбахия умеет „управлять” размножением насекомых, и у данного вида уровень её встречаемости невероятно высок, возможно, данный микроорганизм вовлечен в эволюцию полового размножения сибирского шелкопряда. В дальнейшем мы хотим понять роль этого микроорганизма в сравнении с другими близкородственными видами. Кроме того, расшифровка генома на хромосомном уровне самого важного вредителя леса нашей страны открывает огромные перспективы для разработки и последующего внедрения молекулярных подходов к управлению численностью его популяций», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Вячеслав Мартемьянов, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией экологической физиологии ИСиЭЖ СО РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск), Института леса им. В.Н. Сукачёва СО РАН (Красноярск), Всероссийского научно-исследовательского института лесоводства и механизации лесного хозяйства (Красноярск), Университета Лаваля (Квебек, Канада) и Зоологического института РАН (Санкт-Петербург).
Ранее биологи предложили использовать паразитов сибирского шелкопряда в борьбе с этим насекомым-вредителем. Эксперименты показали, что одновременное заражение гусениц вирусом и микроспоридией позволяет за 40 дней избавиться от 97 % вредителей.
Источник: пресс-служба РНФ.