Różnorodność genetyczna jest niezbędna do przetrwania gatunku. Jest dość łatwa do utrzymania, jeśli gatunek rozmnaża się płciowo; komórka jajowa i plemnik łączą materiał genetyczny dwóch stworzeń w jedno, tworząc genomicznie wytrzymałe potomstwo z dwiema różnymi wersjami genomu gatunku.

Bez tej kombinacji różnych składów genetycznych gatunki rozmnażające się bezpłciowo zazwyczaj cierpią na brak różnorodności, który może skazać je na ograniczony czas na Ziemi. Jednym z takich zwierząt powinna być mrówka klonalna, która produkuje córkę po genetycznie identycznej córce bezpośrednio z niezapłodnionego jaja poprzez partenogenezę, metodę rozmnażania bezpłciowego, w której potomstwo dziedziczy dwa zestawy genetycznie identycznych chromosomów od swojej matki.

Z czasem losowe dziedziczenie tych chromosomów w nieskończonej powtarzalności powinno doprowadzić do katastrofalnej utraty odrębności genetycznej i ostatecznego upadku gatunku. A jednak ten ślepy, bezkrólowy owad — pochodzący z Bangladeszu, który obecnie występuje w tropikalnych warunkach na całym świecie — wydaje się doskonale radzić sobie z życiem. Jak to możliwe?

Jak niedawno odkryli naukowcy z Rockefeller University, klonalna mrówka raider nie ryzykuje, jeśli chodzi o przekazywanie swoich genów. Zamiast tego zapewnia, że ​​potomstwo odziedziczy dwie odrębne wersje swojego całego genomu, w dużej mierze zachowując różnorodność genetyczną obecną u starożytnego założyciela każdej linii klonalnej.

Teoretycznie to nie powinno działać: uważa się, że chromosomy losowo tasują się podczas mejozy, rodzaju podziału komórkowego używanego do produkcji plemników i komórek jajowych podczas reprodukcji u wszystkich zwierząt, roślin i grzybów. Jednak u tego zwierzęcia proces ten wydaje się być wszystkim innym, tylko nie losowy, jak donieśli w Ekologia przyrody i ewolucja.

„Myślimy, że odkryliśmy, w jaki sposób klonalne mrówki rabusie unikają utraty różnorodności genetycznej, która w przeciwnym razie jest rutynowym wynikiem partenogenezy” — mówi pierwszy autor Kip Lacy, absolwent Laboratory of Social Evolution and Behavior, kierowany przez Daniela Kronauera. „Być może ta różnorodność umożliwia przetrwanie gatunku”.

Zagadki aseksualne

Gatunki partenogenetyczne są rzadkie, ale występują wśród różnych form życia, w tym gadów, płazów, nicieni, ryb i ptaków. Ich szanse na długoterminowe istnienie są niewielkie. „Gatunki czysto bezpłciowe mają tendencję do wymierania dość szybko” — mówi Lacy.

„Rozmnażanie klonalne to droga jednokierunkowa do pogorszenia” — dodaje Kronauer. „Za każdym razem, gdy pojawia się lekko szkodliwa mutacja, nie można jej usunąć z genomu, który po prostu będzie gromadził więcej mutacji z czasem”.

Problem zaczyna się od dwóch wyzwań, które gatunki bezpłciowe muszą pokonać na poziomie komórkowym. Pierwszym jest konieczność wytworzenia diploidalnych genomów, które zawierają dwa zestawy chromosomów, aby przekazać je swojemu potomstwu.

„Ale jeśli jesteś klonalną mrówką-rajderką” – zauważa Lacy – „w reprodukcji nie biorą udziału żadne plemniki, więc skąd weźmiesz dodatkowy zestaw chromosomów?”

Drugim wymogiem jest, aby potomstwo miało materiał genetyczny umożliwiający rozwój i reprodukcję, czego brakuje wielu gatunkom bezpłciowym, posiadającym dwa zestawy genetycznie identycznych chromosomów.

Lacy zainteresował się partenogenezą podczas studiów magisterskich na University of Georgia, badając tropikalne mrówki ogniste, których kolonie bezpłciowo produkują królowe. Jak odkrył, mrówki te niemal całkowicie utraciły swoją różnorodność genetyczną. Kiedy w 2019 r. dołączył do laboratorium Kronauera, chciał dowiedzieć się, w jaki sposób klonalne mrówki-raidery mogą uniknąć takich pułapek.

Matki i córki

Podczas mejozy chromosomy rozpadają się i rekombinują, co skutkuje nowymi kombinacjami kopii genów. Po wystąpieniu tych tak zwanych zdarzeń crossover, chromosomy są losowo tasowane przez podziały komórkowe.

W rozmnażaniu partenogenetycznym linia klonalna czerpie z dwóch identycznych zestawów chromosomów, „więc można się spodziewać utraty dużej różnorodności w każdym cyklu”, mówi Kronauer. To jak rozcieńczanie genetycznej zupy.

Aby zrozumieć, że nie jest to prawdą w przypadku mrówek klonalnych, badacze skupili się na parach mrówek matka-córka i siostra-siostra. Aby upewnić się, że mają prawdziwe duety rodzinne, śledzili transgeniczne mrówki, które fluoryzują na czerwono, gdy są oglądane przez mikroskop — przełomowa metoda manipulacji genetycznej opracowana w laboratorium Kronauera przez badacza Taylora Harta. Te pary były jedynymi zwierzętami w swoich koloniach, które świeciły.

Korzystając z sekwencjonowania genetycznego z odczytem łączonym — które umożliwia rekonstrukcję całych sekwencji chromosomów — odkryli, że nie doszło do utraty różnorodności genetycznej od matki do córki. Jednak genomy córek wykazały dowody na crossovery. W sumie udokumentowali 144 zdarzenia crossoverów, a tylko jedno wykazało utratę różnorodności genetycznej.

„Dzieje się tak, ponieważ chromosomy, które zrekombinowały się ze sobą, są zawsze dziedziczone razem” — mówi Lacy. „To współdziedziczenie może wyjaśniać, w jaki sposób ten gatunek nadal przetrwał. U klonalnych mrówek-rajderów prawdopodobieństwo wystąpienia tego zjawiska jest o 800% większe niż można by się spodziewać po losowym rzucie kośćmi genetycznymi”.

Nowa taktyka

Ta strategia zachowania różnorodności genetycznej nigdy wcześniej nie została udokumentowana, według Kronauera. Jej istnienie sugeruje, że może być więcej sposobów na obejście losowego dziedziczenia genetycznego, niż wiedzieliśmy. Jednym z dobrze znanych odstępstw od losowego dziedziczenia jest na przykład sytuacja, gdy „samolubne” geny promują własną propagację nad innymi genami, zasadniczo ustawiając grę na swoją korzyść.

Ale to odchylenie nie może wyjaśnić klonalnego rozmnażania mrówek raiderów, które jest „niesamolubne”, ponieważ żaden gen nie ma przewagi; wszystkie kopie genów są współdziedziczone. Nie wiadomo, czy ta strategia niesamolubnego dziedziczenia występuje u innych zwierząt — w tym gatunków rozmnażających się płciowo.

To odkrycie podkreśla przydatność badania gatunków o nietypowej biologii rozrodczej, mówi Lacy: „Gdybyśmy nie badali tych bezpłciowych mrówek, moglibyśmy nigdy nie dowiedzieć się o tym sposobie rozmnażania”.