Отличным кормом для мальков являются инфузории-туфельки и коловратки. Разводить их дома сможет при желании любой аквариумист, если только он всерьёз заботится о здоровье маленьких жителей аквариума.
Инфузория-туфелька
Есть ли жизнь без секса
Можно жить и без полноценного полового размножения, если вы «всего лишь Очень Маленькое Существо», например, одноклеточное. Тогда вы сам себе хозяин, и можно в течение жизни обмениваться информацией с другими. Так, например, делают бактерии: выбрасывают наружу копии своих молекул ДНК и поглощают чужие извне. Это называют горизонтальным переносом генов
. Одноклеточные животные могут обмениваться друг с другом целыми наборами хромосом (как делает инфузория-туфелька). Но если вы многоклеточное, то провернуть эту схему так просто не получится. По наследству вы передадите только гены половых клеток, а значит, нужно не только съесть чью-то ДНК, но и как-то в них внедрить. Проблема заключается в том, что ядра многоклеточных животных надежно защищены от попадания туда чужеродной ДНК (а то вдруг это вирус) — пищеварительной системой, клеточными мембранами и внутриклеточными механизмами, расщепляющими лишнюю ДНК. Именно поэтому горизонтальный перенос генов у многоклеточных гораздо менее вероятен, и долгое время считалось, что его и вовсе нет. Но потом появились методы биоинформатики, и оказалось, что все устроено сложнее.
Поиск последствий горизонтального переноса генов в современных геномах похож на задачу, которая регулярно встает перед каждым преподавателем: как определить, кто у кого списал, и поймать хитреца? Для этого биоинформатики сравнивают геномы близкородственных видов и ищут отличия. Например, если мы сопоставляем геномы мыши и крысы и видим, что у последней появился совершенно новый ген, не имеющий аналогов у мыши, то можно предположить, что он появился откуда-то извне. Дальше мы ищем схожие гены у других организмов, на этот раз уже далеких, — бактерий, грибов, растений и т.д. И если удается обнаружить сходство, то наш «антиплагиат» сигнализирует о том, что списывальщик пойман.
Акваловер
Филодины (philodina) обитают в иле пресноводных водоемов, иногда обнаруживаются и на дне аквариума среди иловых частиц, легко рассматриваются под микроскопом при рассмотрении иловых частиц.
Филодины обычно медленно переползают или не очень быстро плавают от одной иловой частицы к другой в поисках пищи. Имеют форму вытянутого конуса. На расширенной передней части находится коловращательный аппарат, на заднем заостренном конце, так называемой ноге: два пальца — хватательная вилка.
Из коловраток данного рода наиболее часто культивируют Philodina acuticornis. По размерам они крупнее, чем представители рода Brachionus. Самки живут около трех недель, откладывая за это время, в среднем, около 50 яиц. Средняя продолжительность жизни составляет 27 суток.
Филодины питаются водорослями и бактериями. Не рекомендуется кормить их дрожжами, так как это угнетает их рост.
Для разведения данного вида коловраток необходимо прокипятить сено в дистиллированной воде: 10 г. сена на 1 литр воды, охладить настой, настоять его 2-3 дня, профильтровать и разбавить дистиллированной водой: 2 литра воды на 1 литр настоя. Далее в данный настой добавляют коловраток: 1 литр культуры на 3 литра настоя, и поддерживают добавлением 1-2 капель нежирного молока 2-3 раза в месяц. Скопления коловраток образуются на стенках сосуда у поверхности воды при температуре 24-27 градусов и слабой аэрации.
При слабой продувке филодины скапливаются на стенках культиватора у самой поверхности. Резкую «вспышку» численности филодины дают при внесении в их культуру бактерий, развивающихся над поверхностью активного ила. Филодины хорошо размножаются при кормлении их одноклеточными пресноводными водорослями: сценедесмусом или хлореллой. Оптимальная концентрация хлореллы составляет 0,4 г/л. Если увеличить концентрацию хлореллы до 0,8 г/л или снизить до 0,1 г/л выживаемость коловраток снижается. При выкармливании филодин водорослями желательно добавка в культуру бактерий.
Филодин часто разводят совместно с инфузорией-туфелькой на банановых корках с добавлением в культуру молока. Малькам дают сытых филодин, плавающих в толще воды. Голодные филодины опускаются на дно или сидят на стенках биотопа. Филодины хорошо растут и размножаются на фекалиях мальков.
Данный метод разведения подходит и для разведения других видов коловраток: в несколько небольших банок, заполненных настоем, запускают культуры коловарток, взятых из различных водоемов. Содержимое банки, в которой будет замечено размножение коловраток, переливают в большУю емкость и продолжают воспроизведение.
Недостатком филодин является их способность зарываться в ил.
Искусство имитировать
Судя по сравнению последовательностей генов близкородственных коловраток, они потеряли половое размножение около 60 миллионов лет назад. Об этом говорит не только анализ их геномов, но и необычное строение хромосом. Большинство животных несет в клетках двойной набор хромосом, при этом каждая пара (гомологичные хромосомы) содержит одинаковые гены. В процессе образования половых клеток гомологичные хромосомы сближаются (конъюгируют), соединяются своими «одинаковыми» участками и обмениваются частями, как мы уже упоминали выше. А вот хромосомы коловраток за миллионы лет утратили гомологию. Сейчас их содержимое настолько сильно отличается друг от друга, что конъюгировать они могут только самыми кончиками, не несущими наследственной информации. Поэтому образовать половые клетки коловратки не могут и половой процесс для них невозможен, даже если бы они и решили к нему прибегнуть.
Итак, в мире коловраток секса нет. Но есть альтернативы. За неимением собственного полового процесса приходится активно заимствовать чужие гены. По некоторым данным, до 14% генома коловраток нагло списаны у других организмов (для сравнения: у большинства животных — меньше 1%). Есть подозрение, что в этом коловраткам помогает регулярное высыхание. Так как ДНК состоит из двух слипшихся цепей, встроить в нее чужеродный фрагмент можно только при серьезном повреждении — двунитевом разрыве. Когда белки системы репарации пытаются починить такой разрыв, они ищут любые концы ДНК, за которые удобно ухватиться. Похоже на то, что происходит с разорванной «шпорой», на которой записан ответ: студент судорожно ищет любой, который мог бы служить продолжением. При обезвоживании в ДНК могут возникать такие двойные разрывы. И действительно, у тех видов, которые чаще переживают засуху, «списанных» генов обнаружили больше. Вероятно, немаловажную роль здесь играет опасная близость яичника к кишечнику — путь от еды до потомства оказывается короток.
Однако проблема в том, что не любой текст можно осмысленно встроить в свой конспект. Если в нем по-другому пронумерованы страницы или он написан другим почерком (или и того хуже — на другом языке), пользоваться им будет неудобно. Это мешает активно списывать у неродственных организмов — их гены окружены непривычными регуляторными последовательностями, а иногда даже отличаются особенностями генетического кода (например, частотой встречаемости тех или иных нуклеотидов). Они больше напоминают конспекты, позаимствованные у студентов другого факультета. На то, чтобы они начали полноценно работать, уходят многие поколения переписываний. Поэтому можно отличить гены, «списанные» давным-давно, от недавних приобретений. Чем дольше ген живет в геноме хозяина, тем ближе он находится к активным областям ядра (дальше от концов хромосом) и тем больше по структуре он напоминает собственные гены хозяина.
Чужие гены часто оказываются очень полезными. Например, бактерии, грибы и растения научили коловраток лучше переваривать пищу, нейтрализовывать токсины и бороться с окислительным стрессом. Но приручить чужие гены сложно и удается не всегда, поэтому, чтобы хоть кто-то из них прижился, горизонтальный перенос должен идти очень интенсивно. И этим довольно сложно заменить полноценный половой процесс. Но пару лет назад коловраток поймали на списывании друг у друга: в их геноме обнаружились следы горизонтального переноса от особей своего и «соседнего» вида. Пока, впрочем, непонятно, как именно гены от одних коловраток попадают к другим. Зато теперь мы не можем с былой категоричностью утверждать, что у коловраток секса нет совсем. Он есть, но альтернативный.
В геномах бделлоидных коловраток найдены свидетельства рекомбинации
Рис. 1.
Бделлоидная коловратка
Adineta vaga
. Типичный размер коловраток этого вида 200–700 мкм. Бделлоидные коловратки встречаются в пресноводных водоемах и других влажных средах (например, во мхе или влажной почве). Многие виды бделлоидных коловраток способны переносить высыхание. Фотография Е. А. Мнацакановой
Эволюционные биологи обнаружили свидетельства рекомбинации и обмена генетическим материалом в геномах бделлоидных коловраток Adineta vaga
. До недавнего времени было принято полагать, что бделлоидные коловратки перешли к исключительно бесполому размножению десятки миллионов лет назад. Такое длительное существование группы бесполых видов считалось парадоксальным, поскольку обычно переход к бесполому размножению приводит к быстрому вымиранию. Несмотря на то, что за многолетнюю историю исследований бделлоидных коловраток в их популяциях не удалось найти самцов, нельзя было исключить возможность криптических форм полового размножения или обмена генетическим материалом у видов этой группы. Анализ 11 геномов бделлоидной коловратки
A. vaga
выявил «подписи» рекомбинации и обмена генетическим материалом у этого вида. Некоторые данные указывают на то, что у бделлоидных коловраток может существовать половое размножение. Однако авторы отмечают, что механизм обмена генетическим материалом у этой группы еще предстоит уточнить. Полученные результаты подчеркивают важность рекомбинации для долгосрочного эволюционного успеха.
Существование бделлоидных коловраток (Bdelloidea) долгое время рассматривали как парадокс в эволюционной биологии. Считалось, что эта группа микроскопических беспозвоночных полностью отказалась от полового размножения десятки миллионов лет назад. Именно это и вызывало недоумение эволюционных биологов. Несмотря на то, что переходы к бесполому размножению у эукариот происходят достаточно часто, как правило они приводят к быстрому вымиранию. Это заключение было сделано на основе того, как бесполые виды распределены в филогенетических деревьях: бесполые линии обычно эволюционно моложе, чем группы, у которых есть половое размножение.
Обобщение этих наблюдений позволяет предположить, что бесполое размножение является эволюционным тупиком. Бделлоидных коловраток (рис. 1) до недавнего времени считали одним из немногочисленных исключений из этого правила (O. P. Judson, B. B. Normark, 1996. Ancient asexual scandals). Палеонтологические данные указывали на то, что бделлоидные коловратки, вероятно, размножаются исключительно бесполым способом более 30 миллионов лет. Однако существование настолько древней группы бесполых организмов противоречило гипотезе о необходимости полового размножения для долгосрочного эволюционного успеха.
В пользу отсутствия полового размножения у бделлоидных коловраток говорило в первую очередь то, что среди нескольких сотен тысяч особей бделлоидных коловраток, проанализированных различными исследователями, не было обнаружено самцов (C. W. Birky, 2010. Positively negative evidence for asexuality). Тем не менее оставалась вероятность того, что у этой группы видов существует скрытое половое размножение или другие формы обмена генетическим материалом между особями. Действительно, доказать отсутствие полового процесса или показать его наличие у микроскопических организмов может быть непросто. Описаны случаи, когда в геномах видов, считавшихся бесполыми, находили признаки рекомбинации. Примерами «бесполых» организмов, для которых признаки полового размножения были найдены в геномных данных, могут служить паразит Giardia intestinalis
и виды группы
Placozoa
.
В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications
, российские ученые описали поиск «подписей» рекомбинации и обмена генетическим материалом у бделлоидной коловратки
Adineta vaga
. Для этого они отсеквенировали и сравнили геномы 11 особей этого вида. Анализ однонуклеотидных отличий между геномами показал, что отсеквенированные особи
A. vaga
распадаются на два генетических кластера. Особи внутри каждого из кластеров генетически близки друг к другу, а геномы особей из разных кластеров отличаются сильнее. В первом приближении особей из одного кластера можно рассматривать как представителей одной популяции.
Оказалось, что три особи из маленького кластера (обозначенные L1–L3) значительно отличаются от восьми особей из большого кластера (L4–L11) по уровню гетерозиготности: в среднем в геноме особи из маленького кластера 1,98% гетерозиготных позиций, в то время как для особей из большого кластера данный показатель составляет всего 0,63%. Чтобы уменьшить возможное влияние популяционной структуры на результаты исследования, авторы сосредоточились на анализе данных, полученных для восьми коловраток, входящих в большой кластер.
На первом этапе исследования авторы провели поиск возможных «подписей» рекомбинации в геномах A. vaga
. Для этого они проанализировали зависимость неравновесия по сцеплению (обозначается LD, от англ. термина linkage disequilibrium) от расстояния между полиморфными сайтами. Параметр LD используется для описания степени ассоциации между аллелями в разных сайтах. Если неравновесие по сцеплению между аллелями в двух локусах отсутствует, то вероятность встретить определенный аллель в одном локусе не зависит от того, какой аллель находится во втором локусе. И, наоборот, неравновесие по сцеплению соответствует ситуации, в которой частоты комбинаций аллелей отличаются от ожидаемого в случае «независимости» аллелей в двух локусах.
В простейшем сценарии — при бесполом размножении — рекомбинация отсутствует, и мутации остаются в том геномном «контексте», в котором они произошли. В этом случае степень ассоциации между аллелями не должна зависеть от расстояния между сайтами. И, напротив, рекомбинация, происходящая при мейозе, разрушает существующие комбинации аллелей. Поскольку вероятность рекомбинации увеличивается с расстоянием между сайтами, рекомбинация приводит к тому, что LD падает с увеличением физического расстояния. Оказалось, что в геномах коловраток A. vaga
наблюдается падение LD с расстоянием, — то есть картина, соответствующая ожидаемой при рекомбинации (рис. 2). Однако среди факторов, приводящих к падению LD, могла быть не только мейотическая, но и митотическая рекомбинация, не связанная с обменом генетическим материалом между особями.
Рис. 2.
Падение LD с увеличением физического расстояния между однонуклеотидными полиморфизмами в геномах бделлоидных коловраток
A. vaga
. Высокие значения показателя
r
2 соответствуют высокой степени ассоциации между аллелями. Рисунок из обсуждаемой статьи в
Nature Communications
Чтобы ответить на вопрос о наличии обмена генетическим материалом между особями A. vaga
, авторы проанализировали трехаллельные сайты, то есть сайты, представленные в популяции тремя разными нуклеотидами. Если мы рассмотрим сайт с тремя аллелями (A, B и С), то в таком сайте возможны три разных гетерозиготных генотипа (A/B, A/C и B/С). Сайты, в которых в популяции одновременно присутствуют все три гетерозиготных генотипа, могут появляться или в результате повторных (и обратных) мутаций, или в результате генетического обмена между особями (рис. 3). Мы можем оценить число сайтов, в которых одновременно присутствуют три гетерозиготных генотипа, ожидаемого за счет мутаций, и сравнить это с числом таких сайтов в реальных данных. Число трехаллельных сайтов, представленных тремя гетерозиготами среди восьми коловраток большого кластера, оказалось примерно в 22 раза выше «мутационного ожидания». Это наблюдение служит весомым аргументом в пользу генетического обмена в популяции
A. vaga
.
Рис. 3.
Пример трехаллельного сайта (с аллелями T, G и C), представленный всеми тремя возможными гетерозиготными генотипами среди анализируемых особей
A. vaga
.
Серые горизонтальные полоски
соответствуют индивидуальным прочтениям данного участка ДНК. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в
Nature Communications
, с изменениями
Далее авторы перешли от анализа отдельных сайтов к анализу протяженных геномных локусов. Были рассмотрены те участки генома, в которых удалось восстановить последовательности двух гаплотипов (двух копий участка генома, присутствующих в каждой особи) для всех восьми коловраток большого кластера L4–L11. При бесполом размножении геном целиком передается из поколения в поколение, в этом случае два гаплотипа особи имеют одну и ту же «историю», и ожидается, что филогенетические деревья для двух гаплотипов будут соответствовать друг другу. В случае обмена генетическим материалом «история» двух гаплотипов отличается, что должно выражаться в несоответствии друг другу филогенетических деревьев, построенных для двух гаплотипов. В обсуждаемой работе было показано, что в значительном числе участков генома два гаплотипа одной особи кластеризуются с гаплотипами из разных особей (рис. 4), то есть имеют разную филогенетическую историю. Этот результат также свидетельствует об обмене генетическим материалом между особями A. vaga
.
Рис. 4.
Примеры филогенетических деревьев, построенных для четырех геномных участков, в которых последовательности гаплотипов были восстановлены для всех восьми особей
A. vaga
из большого кластера (L4–L11). Индексы 1 и 2 обозначают два гаплотипа одной особи. В этих четырех участках генома два гаплотипа одной особи кластеризовались с гаплотипами из разных особей в случае L5 (
b
, помечено
розовым цветом
), L6 (
a
,
d
,
зеленый
), L9 (
c
,
голубой
), и L10 (
c
,
d
,
фиолетовый
). Рисунок из обсуждаемой статьи в
Nature Communications
Получив убедительные доказательства обмена генетическим материалом у A. vaga
, авторы попробовали ответить на вопрос о возможном механизме этого процесса. Учитывая ранее опубликованные данные по организации геномов бделлоидных коловраток, авторы рассмотрели два основных сценария: 1) Горизонтальный перенос генов между особями. 2) Половое размножение с образованием половых клеток в результате мейоза.
На возможность горизонтального переноса генов между особями бделлоидных коловраток намекали результаты, полученные ранее другими исследователями при анализе генов, присутствующих в геномах видов из этой группы. В частности, в геноме A. vaga
было обнаружено значительное число генов, предположительно перенесенных из далеких видов, в том числе гены, вероятно, имеющие бактериальное и растительное происхождение (E. A. Gladyshev et al., 2008. Massive horizontal gene transfer in bdelloid rotifers; J.-F. Flot et al., 2013. Genomic evidence for ameiotic evolution in the bdelloid rotifer
Adineta vaga
). Это позволяло предположить, что у бделлоидных коловраток может существовать механизм, дающий им возможность обмениваться участками ДНК внутри одного вида в отсутствие полового размножения. Однако данные по изменчивости восьми коловраток большого кластера могли быть объяснены как в рамках гипотезы о горизонтальном переносе генов, так и в рамках гипотезы о половом размножении. Другими словами, результаты, полученные при анализе геномов L4–L11, не позволяли сделать вывод о том, какой способ обмена генетическим материалом наиболее вероятен у
A. vaga
.
Свидетельства в пользу полового размножения были получены после того, как последовательности гаплотипов восьми особей из большого кластера L4–L11 были проанализированы одновременно с гаплотипами трех коловраток из маленького кластера L1–L3. Выяснилось, что в большинстве геномных локусов, в которых удалось восстановить последовательности гаплотипов для всех 11 особей A. vaga
, три коловратки из маленького кластера группируются только по одному из двух гаплотипов. При этом остальные гаплотипы особей из маленького кластера перемешаны с гаплотипами особей из большого кластера (рис. 5). Эти наблюдения дали основания предполагать, что три особи из маленького кластера являются гибридами, возникшими в результате скрещивания между особями из популяции большого кластера и другой, генетически далекой популяции. Важно, что возникновение такого распределения гаплотипов между особями в рамках модели горизонтального переноса генов является чрезвычайно маловероятным. Гибридное происхождение коловраток L1–L3 могло бы также объяснить более высокий уровень гетерозиготности в их геномах.
Рис. 5.
Примеры филогенетических деревьев, построенных для четырех геномных участков, в которых последовательности гаплотипов были восстановлены для всех одиннадцати анализируемых особей
A. vaga
. Индексы 1 и 2 обозначают два гаплотипа одной особи. Гаплотипы особей L1–L3 выделены
синим цветом
. Рисунок из обсуждаемой статьи в
Nature Communications
Кроме того, на половое размножение у A. vaga
указывает то, что некоторые из особей кластеризуются по ядерной, но не по митохондриальной ДНК — эти данные согласуются с тем, что ожидается при половом размножении.
Тем не менее стоит отметить, что для того, чтобы с уверенностью говорить о существовании полового размножения у бделлоидных коловраток, понадобятся дополнительные исследования.
Полученные результаты показывают, что у бделлоидных коловраток происходит обмен генетическим материалом и рекомбинация. До недавнего времени бделлоидных коловраток рассматривали как «эволюционный скандал», поскольку они заставляли сомневаться в том, что переход к бесполому размножению всегда приводит в эволюционный «тупик». Однако бделлоидные коловратки, по всей видимости, не являются исключением из общего правила: в свете новых результатов их существование можно рассматривать как подтверждение того, что рекомбинация необходима для эволюционного успеха.
Источник:
Olga A. Vakhrusheva, Elena A. Mnatsakanova, Yan R. Galimov, Tatiana V. Neretina, Evgeny S. Gerasimov, Sergey A. Naumenko, Svetlana G. Ozerova, Arthur O. Zalevsky, Irina A. Yushenova, Fernando Rodriguez, Irina R. Arkhipova, Aleksey A. Penin, Maria D. Logacheva, Georgii A. Bazykin & Alexey S. Kondrashov. Genomic signatures of recombination in a natural population of the bdelloid rotifer
Adineta vaga
//
Nature Communications
. 2021. DOI: 10.1038/s41467-020-19614-y.
Ольга Вахрушева