Reprodukcja bezpłciowa zwykle prowadzi do braku różnorodności genetycznej. Nie dotyczy to jednak tych mrówek.

16 lipca 2024 roku

Ten artykuł został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

• sprawdzone fakty
• publikacja z recenzją naukową
• zaufane źródło
• skorygowane

przez Uniwersytet Rockefeller

Różnorodność genetyczna jest niezbędna dla przetrwania gatunku. Łatwo jest ją utrzymać, jeśli gatunek rozmnaża się płciowo; jajeczko i sperma łączą materiał genetyczny z dwóch istot w jedną, tworząc potomstwo o genomie odpornym, z dwoma odrębnymi wersjami genomu gatunku.

Bez tej kombinacji różnych zestawów genów gatunki rozmnażające się bezpłciowo zazwyczaj cierpią z powodu braku różnorodności, co może skazać je na krótkotrwałe istnienie na Ziemi. Jednym z takich zwierząt powinna być mrówka klonowa, która wydaje córki, które są genetycznie identyczne z matką, bez zapłodnienia jaja, poprzez partenogenezę, metodę rozmnażania bezpłciowego, w której potomek dziedziczy dwa zestawy genetycznie identycznych chromosomów od matki.

Z czasem losowe dziedziczenie tych chromosomów powinno prowadzić do katastrofalnej utraty odrębności genetycznej i ostatecznego upadku gatunku. A jednak ta ślepota, bezkrólowa owadzia—pochodząca z Bangladeszu, a obecnie spotykana w tropikalnych miejscach na całym świecie—zdaje się radzić sobie całkiem dobrze. Jak to jest możliwe?

Jak niedawno odkryli badacze z Uniwersytetu Rockefeller, mrówka klonowa nie ryzykuje, jeśli chodzi o przekazywanie swoich genów. Zamiast tego, zapewnia, że potomstwo dziedziczy dwa odrębne wersje jej całego genomu, w dużej mierze zachowując różnorodność genetyczną obecną w pradawnej założycielce każdej linii klonowej.

Teoretycznie to nie powinno działać: Chromosomy są uważane za losowo rozmieszczające się podczas mejozy, rodzaju podziału komórkowego używanego do tworzenia komórek jajowych i nasieniowych podczas rozmnażania u wszystkich zwierząt, roślin i grzybów. Jednak w przypadku tego zwierzęcia, proces ten nie wydaje się być losowy, jak opisano w Nature Ecology & Evolution.

'Myślimy, że odkryliśmy, jak mrówki klonowe unikają utraty różnorodności genetycznej, która zazwyczaj wynika z partenogenezy,' mówi pierwszy autor Kip Lacy, stypendysta absolwentów w Laboratorium Ewolucji Społecznej i Zachowań, prowadzonym przez Daniela Kronauera. 'Być może ta różnorodność umożliwia przetrwanie gatunku.'

Gatunki partenogenetyczne są rzadkie, ale występują w różnych formach życia, w tym wśród gadów, płazów, nicieni, ryb i ptaków. Ich szanse na długotrwałe istnienie są niewielkie. 'Czysto bezpłciowe gatunki zazwyczaj szybko wyginą,' mówi Lacy.

'Klonowe rozmnażanie jest rodzajem jednokierunkowej drogi do pogorszenia się,' dodaje Kronauer. 'Za każdym razem, gdy występuje nieznaczna mutacja szkodliwa, nie można jej usunąć z genomu, co doprowadzi jedynie do gromadzenia się kolejnych mutacji.'

Problem zaczyna się od dwóch wyzwań, z którymi muszą zmierzyć się gatunki bezpłciowe na poziomie komórkowym. Pierwszym jest konieczność utworzenia diploidalnych genomów, które zawierają dwa zestawy chromosomów, do przekazania potomstwu.

'Ale jeśli jesteś mrówką klonową,' zauważa Lacy, 'to nie ma udziału spermy w procesie rozmnażania, więc skąd weźmiesz dodatkowy zestaw chromosomów?'

Drugim jest konieczność posiadania przez potomstwo genetycznego makijażu, który jest kompatybilny z rozwojem i rozmnażaniem—co wiele gatunków bezpłciowych, obarczonych dwoma zestawami genetycznie identycznych chromosomów, nie posiada.

Lacy zainteresował się partenogenezą podczas studiów magisterskich na Uniwersytecie w Georgii, gdy studiował tropikalną mrówkę ognistą, niektóre kolonie których wydają królowe bez zapłodnienia. Jak odkrył, te mrówki straciły prawie całkowicie swoją różnorodność genetyczną. Gdy w 2019 roku dołączył do laboratorium Kronauera, postanowił dowiedzieć się, jak mrówka klonowa może unikać takich pułapek.

Podczas mejozy, chromosomy rozbijają się i łączą na nowo, powodując powstanie nowych kombinacji kopii genów. Po tym tak zwanych zdarzeniach krzyżowania, chromosomy są losowo przemieszczane podczas podziałów komórkowych.

W reprodukcji partenogenetycznej, linia klonowa czerpie z dwóch identycznych zestawów chromosomów, 'więc można oczekiwać utraty dużej ilości różnorodności podczas każdego cyklu,' mówi Kronauer. To jak rozcieńczanie genetycznej zupy.

Aby zrozumieć, jak to może nie być prawdą w przypadku mrówek klonowych, badacze skupili się na parach matka-córka i siostra-siostra mrówek. Aby upewnić się, że mają prawdziwe pary rodzinne, śledzili transgeniczne mrówki, które świecą na czerwono pod mikroskopem—przełomowa metoda manipulacji genetycznej opracowana w laboratorium Kronauera przez badacza Taylora Harta. Te pary były jedynymi zwierzętami w swoich koloniach, które świeciły.