Самцы партеногенетических палочников оказались бесплодными

Палочники Ramulus mikado размножаются партеногенетически, а самцы этого вида встречаются крайне редко и совершенно бесполезны. Как выяснили японские энтомологи, мужские особи этих насекомых бесплодны из-за нарушенного сперматогенеза. Несмотря на то, что самцы обладают развитыми половыми органами и совокупляются с самками, потомства они оставить не могут. Препринт выложен на сайте bioRxiv.org.

Многие виды беспозвоночных и некоторые виды рыб, амфибий и рептилий независимо друг от друга перешли к партеногенетическому размножению. Потомство у них развивается из неоплодотворенных яйцеклеток и представляет собой генетическую копию матери, а самцы, как правило, полностью отсутствуют. Лишь некоторые партеногенетические виды, например, отдельные виды палочников из рода Timema, изредка производят на свет особей мужского пола. Такие самцы обычно фертильны, однако если они спариваются с самками собственного вида, оплодотворения не происходит. Вероятно, это связано с тем, что за многие поколения бесполого размножения женская репродуктивная система партеногенетических видов утратила признаки, необходимые для успешного оплодотворения.

Ученые предполагают, что поскольку самцы партеногенетических видов не могут оставить потомства, естественный отбор их не замечает, в результате чего их репродуктивная система постепенно деградирует. В пользу этой идеи говорит, например, тот факт, что у редких мужских особей палочников Carausius morosus помимо нормальных сперматозоидов присутствуют аномальные сперматиды, что свидетельствует о нарушениях сперматогенеза. Вероятно, у некоторых партеногенетических видов этот процесс зашел настолько далеко, что изредка появляющиеся самцы полностью бесплодны. Однако до недавнего времени таких примеров известно не было.

Команда энтомологов под руководством Томонари Нозаки (Tomonari Nozaki) из Национального института фундаментальной биологии в Окадзаки решила проверить гипотезу о бесплодных самцах на примере партеногенетических палочников Ramulus mikado. Этот широко распространенный в Японии вид представлен почти исключительно самками, а появление самцов было отмечено всего около десяти раз. Например, во время недавней вспышки численности R. mikado в префектуре Нагано исследователи за четыре года встретили несколько тысяч самок и всего одного самца.

Нозаки и его соавторам удалось заполучить четырех живых, одного высушенного и одного сохраненного в этаноле самцов R. mikado. Генетический анализ показал, что они не приходятся друг другу близкими родственниками. При этом три мужские особи генетически были идентичны самкам, собранным в тех же местностях, что и они сами. Таким образом, самцы у R. mikado появляются не в результате полового размножения, а партеногенетическим путем, из неоплодотворенных яиц, утративших одну из половых хромосом.

Внешне все шесть палочников-самцов казались совершенно обычными, с нормально развитыми репродуктивными органами. А когда в ходе экспериментов исследователи подсаживали четырех живых особей к самкам, они уверенно приближались к партнершам, усаживались на них сверху и совокуплялись с ними. Яйца, отложенные женскими особями после спаривания, также выглядели нормальными. Однако анализ показал, что они не несут в себе аллелей самцов и генетически идентичны тем яйцам, которые самки производили до совокупления. Иными словами, даже после спаривания с самцами палочники-самки продолжали откладывать неоплодотворенные яйца.

Чтобы понять, почему самцы R. mikado потерпели неудачу, Нозаки с коллегами изучили гистологические срезы семенников одного из них. Обнаружить зрелые сперматозоиды или сперматиды исследователям не удалось. В семенниках присутствовали лишь сперматогонии и небольшое количество сперматоцитов с деформированными ядрами. В сперматофорах, которые самцы передавали самкам во время спаривания, также не оказалось ни одного сперматозоида. Для сравнения, у самцов палочников Phraortes elongatus, которые размножаются половым путем, и в семенниках, и в сперматофорах присутствуют зрелые сперматозоиды. Впрочем, репродуктивная система самок R. mikado также развита ненормально по сравнению с самками Ph. elongatus.

Результаты исследования демонстрируют, что редко встречающиеся самцы R. mikado бесплодны из-за нарушенного сперматогенеза. Несмотря на то, что мужские особи этого вида обладают развитыми половыми органами и спариваются с самками, оставить потомство они не способны. По словам авторов, это первый пример полного нарушения сперматогенеза у самцов партеногенетических видов. Он подтверждает гипотезу о постепенной деградации мужской репродуктивной системы у видов, размножающихся бесполым путем, вероятно, в результате ослабленного естественного отбора. Интересно, что сперматогенез нарушается первым, пока строение половых органов и брачное поведение еще остаются нормальными. В заключение авторы отмечают, что деградация мужской и женской репродуктивных систем у палочников R. mikado зашла настолько далеко, что этот вид уже никогда не сможет вернуться к половому размножению.

О том, возможен ли партеногенез у человека, читайте в нашем материале «Половинка себя». Кроме того, недавно мы рассказывали, как ученые обнаружили, какие гены отвечают за факультативный партеногенез у дрозофил.