Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Эволюционный механизм видообразования Механизмы репродуктивной изоляции - это совокупность эволюционных механизмов, поведения и физиологических процессов, имеющих решающее значение для видообразования. Они препятствуют разным видам порождать потомство или гарантируют, что потомство будет стерильным. Эти барьеры поддерживают целостность вида, уменьшая поток генов между родственными видами. Механизмы репродуктивной изоляции классифицируются по-разному. Зоолог Эрнст Майр классифицировал механизмы репродуктивной изоляции в две широкие категории: презиготические для тех, кто действует до оплодотворения (или до спаривания в случае животных), и постзиготические для тех, кто действует после него. Механизмы генетически контролируются и могут появляться у видов, географическое распространение которых перекрывается (симпатрическое видообразование) или отдельно (аллопатрическое видообразование).
Evolutionary mechanism for speciation
The mechanisms of reproductive isolation are a collection of evolutionary mechanisms, behaviors and physiological processes critical for speciation. They prevent members of different species from producing offspring, or ensure that any offspring are sterile. These barriers maintain the integrity of a species by reducing gene flow between related species. The mechanisms of reproductive isolation have been classified in a number of ways. Zoologist Ernst Mayr classified the mechanisms of reproductive isolation in two broad categories: pre zygotic for those that act before fertilization (or before mating in the case of animals) and post zygotic for those that act after it. The mechanisms are genetically controlled and can appear in species whose geographic distributions overlap (sympatric speciation) or are separate (allopatric speciation).
Презиготическая изоляция
Механизмы презиготической изоляции являются наиболее экономичными с точки зрения естественного отбора популяции, поскольку ресурсы не тратятся на производство потомков, которые являются слабыми, нежизнеспособными или стерильными. Эти механизмы включают физиологические или системные барьеры для оплодотворения.
Pre zygotic isolation mechanisms are the most economic in terms of the natural selection of a population, as resources are not wasted on the production of a descendant that is weak, non viable or sterile. These mechanisms include physiological or systemic barriers to fertilization.
Временная или среда обитания изоляция
Любой из факторов, препятствующих встрече потенциально фертильных особей, будет репродуктивно изолировать членов отдельных видов. Типы барьеров, которые могут вызвать эту изоляцию, включают: различные места обитания, физические барьеры и разницу во времени половой зрелости или цветения. Пример экологических или природных различий, которые препятствуют встрече потенциальных пар, встречается у двух видов рыб семейства Gasterosteidae (островные). Один вид живет круглый год в пресной воде, в основном в небольших ручьях. Другие виды зимой живут в море, но весной и летом особи мигрируют в речные устья, чтобы размножаться. Члены двух популяций репродуктивно изолированы из-за их адаптации к различным концентрациям соли. Танец спаривания, песни самцов, чтобы привлечь самку, или взаимное ухаживание пары - все это примеры типичного поведения ухаживания, которое позволяет как признание, так и репродуктивную изоляцию. Это связано с тем, что каждая из стадий ухаживания зависит от поведения партнера. Самцы переходят ко второму этапу выставки, только если самка проявляет определенные реакции в своем поведении. Он перейдет на третий этап, когда она проявит второе ключевое поведение. Поведение обеих связей синхронизируется во времени и в конечном итоге приводит к совокуплению или освобождению гамет в окружающую среду. Ни одно животное, не приспособленное к оплодотворению, не может выполнить эту сложную цепочку поведения. На самом деле, даже малейшей разницы в моделях ухаживания двух видов достаточно, чтобы предотвратить спаривание (например, конкретный рисунок песни действует как механизм изоляции у различных видов кузнечиков рода Chorthippus). Даже там, где между видами существуют минимальные морфологические различия, различий в поведении может быть достаточно, чтобы предотвратить спаривание. Например, Drosophila melanogaster и D. simulans, которые считаются близнецами из-за их морфологического сходства, не спариваются, даже если они хранятся вместе в лаборатории. Drosophila ananassae и D. pallidosa - близнецы из Меланезии. В дикой природе они редко производят гибридов, хотя в лаборатории можно получить плодородных потомков. Исследования их полового поведения показывают, что самцы ухаживают за самками обоих видов, но самки выражают заметное предпочтение спариваться с самцами своего вида. На хромосоме II обоих видов была обнаружена другая регуляторная область, которая влияет на поведение отбора самок. Эти соединения служат для идентификации особей одного вида и одного или разного пола. Испаренные молекулы летучих феромонов могут служить в качестве химического сигнала широкого действия. В других случаях феромоны могут быть обнаружены только на небольшом расстоянии или при контакте. У видов группы меланогастерных дрозофил феромоны самок представляют собой смеси различных соединений, существует явный диморфизм в типе и/или количестве соединений, присутствующих для каждого пола. Кроме того, существуют различия в количестве и качестве составных соединений между родственными видами, предполагается, что феромоны служат для различения между индивидуумами каждого вида. Пример роли феромонов в половой изоляции можно найти у "кукурузных буровых" в роде Ostrinia. В Европе есть два близнеца, которые иногда скрещиваются. Самки обоих видов производят феромоны, которые содержат летучее соединение, которое имеет два изомера, E и Z; 99% соединения, вырабатываемого самками одного вида, находится в форме изомера E, в то время как самки другого вида производят 99% изомера Z. Производство соединения контролируется только одним локусом, и межвидовой гибрид производит равное сочетание двух изомеров. Самцы, со своей стороны, почти исключительно обнаруживают изомер, испускаемый самками их вида, так что гибридизация, хотя и возможна, редка. Восприятие самцов контролируется одним геном, отличным от генетического, отвечающего за выработку изомеров, гетерозиготные самцы показывают умеренный ответ на запах любого типа. В этом случае только 2 "лока" создают эффект этологической изоляции между видами, которые генетически очень похожи.
Any of the factors that prevent potentially fertile individuals from meeting will reproductively isolate the members of distinct species. The types of barriers that can cause this isolation include: different habitats, physical barriers, and a difference in the time of sexual maturity or flowering. An example of the ecological or habitat differences that impede the meeting of potential pairs occurs in two fish species of the family Gasterosteidae (sticklebacks). One species lives all year round in fresh water, mainly in small streams. The other species lives in the sea during winter, but in spring and summer individuals migrate to river estuaries to reproduce. The members of the two populations are reproductively isolated due to their adaptations to distinct salt concentrations. Mating dances, the songs of males to attract females or the mutual grooming of pairs, are all examples of typical courtship behavior that allows both recognition and reproductive isolation. This is because each of the stages of courtship depend on the behavior of the partner. The male will only move onto the second stage of the exhibition if the female shows certain responses in her behavior. He will only pass onto the third stage when she displays a second key behavior. The behaviors of both interlink, are synchronized in time and lead finally to copulation or the liberation of gametes into the environment. No animal that is not physiologically suitable for fertilization can complete this demanding chain of behavior. In fact, the smallest difference in the courting patterns of two species is enough to prevent mating (for example, a specific song pattern acts as an isolation mechanism in distinct species of grasshopper of the genus Chorthippus). Even where there are minimal morphological differences between species, differences in behavior can be enough to prevent mating. For example, Drosophila melanogaster and D. simulans which are considered twin species due to their morphological similarity, do not mate even if they are kept together in a laboratory. Drosophila ananassae and D. pallidosa are twin species from Melanesia. In the wild they rarely produce hybrids, although in the laboratory it is possible to produce fertile offspring. Studies of their sexual behavior show that the males court the females of both species but the females show a marked preference for mating with males of their own species. A different regulator region has been found on Chromosome II of both species that affects the selection behavior of the females. These compounds serve to identify individuals of the same species and of the same or different sex. Evaporated molecules of volatile pheromones can serve as a wide reaching chemical signal. In other cases, pheromones may be detected only at a short distance or by contact. In species of the melanogaster group of Drosophila, the pheromones of the females are mixtures of different compounds, there is a clear dimorphism in the type and/or quantity of compounds present for each sex. In addition, there are differences in the quantity and quality of constituent compounds between related species, it is assumed that the pheromones serve to distinguish between individuals of each species. An example of the role of pheromones in sexual isolation is found in 'corn borers' in the genus Ostrinia. There are two twin species in Europe that occasionally cross. The females of both species produce pheromones that contain a volatile compound which has two isomers, E and Z; 99% of the compound produced by the females of one species is in the E isomer form, while the females of the other produce 99% isomer Z. The production of the compound is controlled by just one locus and the interspecific hybrid produces an equal mix of the two isomers. The males, for their part, almost exclusively detect the isomer emitted by the females of their species, such that the hybridization although possible is scarce. The perception of the males is controlled by one gene, distinct from the one for the production of isomers, the heterozygous males show a moderate response to the odour of either type. In this case, just 2 'loci' produce the effect of ethological isolation between species that are genetically very similar.
Механическая изоляция
Пары, которые хотят спариваться, могут не успеть, если их гениталии не совместимы. Отношение между репродуктивной изоляцией видов и формой их половых органов впервые было отмечено в 1844 году французским энтомологом Леоном Дюфуром. Жесткие оболочки насекомых действуют аналогично замку и ключу, поскольку они позволяют спариваться только между индивидуумами с взаимодополняющими структурами, то есть самцами и самками одного вида (называемыми соспецификами). Эволюция привела к развитию половых органов с все более сложными и расходящимися характеристиками, что приведет к механической изоляции между видами. Некоторые особенности половых органов часто превращают их в механизмы изоляции. Однако многочисленные исследования показывают, что органы, отличающиеся по анатомии, могут быть функционально совместимыми, что указывает на то, что другие факторы также определяют форму этих сложных структур. Механическая изоляция также происходит у растений, и это связано с адаптацией и коэволюцией каждого вида в привлечении определенного типа опылителя (где опыление является зоофильным) через коллекцию морфофизиологических характеристик цветов (называемый синдромом опыления), таким образом, что транспортировка пыльцы к другим видам не происходит.
Mating pairs may not be able to couple successfully if their genitals are not compatible. The relationship between the reproductive isolation of species and the form of their genital organs was signaled for the first time in 1844 by the French entomologist Léon Dufour. Insects' rigid carapaces act in a manner analogous to a lock and key, as they will only allow mating between individuals with complementary structures, that is, males and females of the same species (termed co specifics). Evolution has led to the development of genital organs with increasingly complex and divergent characteristics, which will cause mechanical isolation between species. Certain characteristics of the genital organs will often have converted them into mechanisms of isolation. However, numerous studies show that organs that are anatomically very different can be functionally compatible, indicating that other factors also determine the form of these complicated structures. Mechanical isolation also occurs in plants and this is related to the adaptation and coevolution of each species in the attraction of a certain type of pollinator (where pollination is zoophilic) through a collection of morphophysiological characteristics of the flowers (called pollination syndrome), in such a way that the transport of pollen to other species does not occur.
Гаметическая изоляция
Синхронное нерест многих видов кораллов в морских рифах означает, что межвидовая гибридизация может иметь место, когда гаметы сотен особей десятков видов освобождаются в одном и том же водоеме одновременно. Примерно треть всех возможных скрещиваний между видами совместимы, в том смысле, что гаметы будут сливаться и приводить к индивидуальным гибридам. Эта гибридизация, по-видимому, играет важную роль в эволюции коралловых видов. Однако две трети возможных скрещиваний несовместимы. Было замечено, что у морских ежей рода Strongylocentrotus концентрация сперматоцитов, позволяющая 100% оплодотворение яйцеклеток одного вида, способна оплодотворить только 1,5% яйцеклеток других видов. Эта неспособность производить гибридное потомство, несмотря на то, что гаметы обнаруживаются в одно и то же время и в одном и том же месте, связана с явлением, известным как несовместимость гамет, которое часто встречается у морских беспозвоночных, и физиологические причины которого не полностью понятны. В некоторых кроссах дрозофилы после оплодотворения наблюдается отечность влагалища самки. Это препятствует оплодотворению яйцеклетки спермой другого вида. У растений пыльцевые зерна одного вида могут прорастать в стигме и расти в стиле других видов. Однако рост пыльцевых трубок может быть задержан в какой-то момент между стигмой и яйцеклетками, так что оплодотворение не происходит. Этот механизм репродуктивной изоляции распространен у ангиосперм и называется перекрестной несовместимостью или несовместимостью. Существует связь между самоинтегральностью и феноменом перекрестной несовместимости. В целом, скрещивание особей совместимого вида (SC) с особями несовместимого вида (SI) дает гибридное потомство. С другой стороны, взаимный крест (SI x SC) не будет производить потомство, потому что пыльцевые трубки не достигнут яйцеклеток. Это известно как односторонняя несовместимость, которая также возникает при скрещивании двух SC или двух SI видов.
The synchronous spawning of many species of coral in marine reefs means that inter species hybridization can take place as the gametes of hundreds of individuals of tens of species are liberated into the same water at the same time. Approximately a third of all the possible crosses between species are compatible, in the sense that the gametes will fuse and lead to individual hybrids. This hybridization apparently plays a fundamental role in the evolution of coral species. However, the other two thirds of possible crosses are incompatible. It has been observed that in sea urchins of the genus Strongylocentrotus the concentration of spermatocytes that allow 100% fertilization of the ovules of the same species is only able to fertilize 1.5% of the ovules of other species. This inability to produce hybrid offspring, despite the fact that the gametes are found at the same time and in the same place, is due to a phenomenon known as gamete incompatibility, which is often found between marine invertebrates, and whose physiological causes are not fully understood. In some Drosophila crosses, the swelling of the female's vagina has been noted following insemination. This has the effect of consequently preventing the fertilization of the ovule by sperm of a different species. In plants the pollen grains of a species can germinate in the stigma and grow in the style of other species. However, the growth of the pollen tubes may be detained at some point between the stigma and the ovules, in such a way that fertilization does not take place. This mechanism of reproductive isolation is common in the angiosperms and is called cross incompatibility or incongruence. A relationship exists between self incompatibility and the phenomenon of cross incompatibility. In general crosses between individuals of a self compatible species (SC) with individuals of a self incompatible (SI) species give hybrid offspring. On the other hand, a reciprocal cross (SI x SC) will not produce offspring, because the pollen tubes will not reach the ovules. This is known as unilateral incompatibility, which also occurs when two SC or two SI species are crossed.
Постзиготная изоляция
Ниже рассматривается ряд механизмов, которые после оплодотворения препятствуют успешному скрещиванию между популяциями.
A number of mechanisms which act after fertilization preventing successful inter population crossing are discussed below.
Гибельность зиготы и нежизнеспособность гибридов
Тип несовместимости, который встречается так же часто у растений, как и у животных, возникает, когда яйцеклетка или яйцеклетка оплодотворяются, но зигота не развивается, или она развивается, и в результате индивид имеет сниженную жизнеспособность. Аналогичные результаты наблюдаются у комаров рода Culex, но различия наблюдаются между взаимными перекрестками, из которых делается вывод, что тот же эффект возникает в взаимодействии между генами ядра клетки (наследованных от обоих родителей), что и в генах цитоплазматических органелл, которые наследуются исключительно от женского прародителя через цитоплазму яйцеклетки. Неудача развития эндоспермы и последующий аборт наблюдаются во многих межплоидных скрещиваниях (то есть между популяциями с определенной степенью внутривидовой или межвидовой плоидии), а также в некоторых скрещиваниях у видов с тем же уровнем плоидии. Крах эндоспермы и последующий аборт гибридного эмбриона является одним из наиболее распространенных механизмов репродуктивной изоляции после оплодотворения, обнаруженных у ангиосперм.
A type of incompatibility that is found as often in plants as in animals occurs when the egg or ovule is fertilized but the zygote does not develop, or it develops and the resulting individual has a reduced viability. Similar results are observed in mosquitoes of the genus Culex, but the differences are seen between reciprocal crosses, from which it is concluded that the same effect occurs in the interaction between the genes of the cell nucleus (inherited from both parents) as occurs in the genes of the cytoplasmic organelles which are inherited solely from the female progenitor through the cytoplasm of the ovule. The failure of endosperm development and its subsequent abortion has been observed in many interploidal crosses (that is, those between populations with a particular degree of intra or interspecific ploidy), and in certain crosses in species with the same level of ploidy. The collapse of the endosperm, and the subsequent abortion of the hybrid embryo is one of the most common post fertilization reproductive isolation mechanism found in angiosperms.
Гибридная стерильность
Гибрид может иметь нормальную жизнеспособность, но обычно недостаточен с точки зрения размножения или стерилен. Это видно на примере мула и многих других хорошо известных гибридов. Во всех этих случаях стерильность обусловлена взаимодействием между генами двух видов, вызываемых хромосомным дисбалансом, обусловленным различным количеством хромосом у родительского вида, или цитоплазматическими взаимодействиями ядра, как в случае с Culex, описанном выше. Межвидовой стерильности гибридов у растений может быть много причин. Они могут быть генетическими, связанными с геномами или взаимодействием между ядерными и цитоплазматическими факторами, как будет обсуждаться в соответствующем разделе. Тем не менее, у растений гибридизация является стимулом для создания новых видов, что противоречит ситуации у животных. Хотя гибрид может быть стерильным, он может продолжать размножаться в дикой природе путем бесполого размножения, будь то вегетативное размножение или апомиксис или производство семян. Действительно, межвидовая гибридизация может быть связана с полиплоидией и, таким образом, происхождением новых видов, которые называются аллополиплоидами. Например, роза-канина - это результат многократных гибридизаций. Пшеница обыкновенная (Triticum aestivum) является аллогексаплоидной (аллополиплоидной с шестью наборами хромосом), которая содержит геномы трех различных видов.
A hybrid may have normal viability but is typically deficient in terms of reproduction or is sterile. This is demonstrated by the mule and in many other well known hybrids. In all of these cases sterility is due to the interaction between the genes of the two species involved; to chromosomal imbalances due to the different number of chromosomes in the parent species; or to nucleus cytoplasmic interactions such as in the case of Culex described above. Interspecific sterility of hybrids in plants has multiple possible causes. These may be genetic, related to the genomes, or the interaction between nuclear and cytoplasmic factors, as will be discussed in the corresponding section. Nevertheless, in plants, hybridization is a stimulus for the creation of new species – the contrary to the situation in animals. Although the hybrid may be sterile, it can continue to multiply in the wild by asexual reproduction, whether vegetative propagation or apomixis or the production of seeds. Indeed, interspecific hybridization can be associated with polyploidia and, in this way, the origin of new species that are called allopolyploids. Rosa canina, for example, is the result of multiple hybridizations. The common wheat (Triticum aestivum) is an allohexaploid (allopolyploid with six chromosome sets) that contains the genomes of three different species.
Многочисленные механизмы
В общем, барьеры, разделяющие виды, состоят не только из одного механизма. Двойные виды дрозофилы, D. pseudoobscura и D. persimilis, изолированы друг от друга по среде обитания (персимилис обычно живет в более холодных регионах на больших высотах), по времени брачного сезона (персимилис обычно более активен утром, а псевдообскура ночью) и по поведению во время брака (самки обоих видов предпочитают самцов своих видов). Таким образом, хотя распространение этих видов перекрывается в широких районах запада Соединенных Штатов Америки, эти механизмы изоляции достаточно, чтобы держать виды отдельно. Так что, среди тысяч, которые были проанализированы, среди других видов было найдено лишь несколько фертильных самок. Однако, когда гибриды производятся между обоими видами, поток генов между ними будет продолжать затрудняться, поскольку гибридные самцы стерильны. Кроме того, в отличие от сильной энергии, проявленной стерильными самцами, потомки гибридных самок, скрещенных с родительскими видами, слабы и, как известно, нежизнеспособны. Этот последний механизм еще больше ограничивает генетический обмен между двумя видами мух в дикой природе. У млекопитающих, по крайней мере, есть все больше доказательств того, что это связано с высокими показателями мутации генов, определяющих мужскую принадлежность в Y-хромосоме. Было высказано предположение, что правило Халдена просто отражает тот факт, что мужской пол более чувствителен, чем женский, когда гены, определяющие пол, включены в гибридный геном. Но есть также организмы, в которых гетерозиготный пол - самка: птицы и бабочки, и в этих организмах соблюдается закон. Поэтому это не проблема, связанная с половым развитием, и не с половыми хромосомами. Холдейн предложил, что стабильность развития гибридного индивида требует полного дополнения генов каждого родительского вида, так что гибрид гетерозиготного пола не сбалансирован (то есть отсутствует по крайней мере одна хромосома от каждого родительского вида). Например, гибридный самец, полученный путем скрещивания самок D. melanogaster с самцами D. simulans, который не является жизнеспособным, не имеет Х-хромосомы D. simulans.
In general, the barriers that separate species do not consist of just one mechanism. The twin species of Drosophila, D. pseudoobscura and D. persimilis, are isolated from each other by habitat (persimilis generally lives in colder regions at higher altitudes), by the timing of the mating season (persimilis is generally more active in the morning and pseudoobscura at night) and by behavior during mating (the females of both species prefer the males of their respective species). In this way, although the distribution of these species overlaps in wide areas of the west of the United States of America, these isolation mechanisms are sufficient to keep the species separated. Such that, only a few fertile females have been found amongst the other species among the thousands that have been analyzed. However, when hybrids are produced between both species, the gene flow between the two will continue to be impeded as the hybrid males are sterile. Also, and in contrast with the great vigor shown by the sterile males, the descendants of the backcrosses of the hybrid females with the parent species are weak and notoriously non viable. This last mechanism restricts even more the genetic interchange between the two species of fly in the wild. In mammals, at least, there is growing evidence to suggest that this is due to high rates of mutation of the genes determining masculinity in the Y chromosome. It has been suggested that Haldane's rule simply reflects the fact that the male sex is more sensitive than the female when the sex determining genes are included in a hybrid genome. But there are also organisms in which the heterozygous sex is the female: birds and butterflies and the law is followed in these organisms. Therefore, it is not a problem related to sexual development, nor with the sex chromosomes. Haldane proposed that the stability of hybrid individual development requires the full gene complement of each parent species, so that the hybrid of the heterozygous sex is unbalanced (i. e. missing at least one chromosome from each of the parental species). For example, the hybrid male obtained by crossing D. melanogaster females with D. simulans males, which is non viable, lacks the X chromosome of D. simulans.
Механизмы после копуляции или оплодотворения у животных
Репродуктивная изоляция между видами появляется в некоторых случаях спустя длительное время после оплодотворения и образования зиготы, как это происходит, например, у близнецов Drosophila pavani и D. gaucha. Гибриды между обоими видами не являются стерильными в том смысле, что они производят жизнеспособные гаметы, яйцеклетки и сперматозоиды. Однако они не могут производить потомство, поскольку сперма гибридного самца не выживает в рецепторах спермы самки, будь то гибриды или из родительских линий. Точно так же сперма самцов двух родительских видов не выживает в репродуктивных путях гибридной самки. Развитие зиготы в взрослого человека - это сложный и деликатный процесс взаимодействия генов и окружающей среды, который должен быть выполнен точно, и если в обычном процессе есть какие-либо изменения, вызванные отсутствием необходимого гена или наличием другого, это может остановить нормальное развитие, вызывая нежизнеспособность гибрида или его стерильность. Следует помнить, что половина хромосом и генов гибрида принадлежит одному виду, а другая половина - другому. Если два вида генетически отличаются, маловероятно, что гены от обоих будут гармонично действовать в гибриде. С этой точки зрения, для достижения посткопуляционной изоляции потребуется всего несколько генов, в отличие от ситуации, описанной ранее для прекопуляционной изоляции. Во многих видах, где не существует прекопулятивной репродуктивной изоляции, производятся гибриды, но они только одного пола. Это относится к гибридизации между самками Drosophila simulans и самцами Drosophila melanogaster: гибридизированные самки умирают на ранних стадиях развития, поэтому среди потомства видны только самцы. Однако популяции D. simulans были зарегистрированы с генами, которые позволяют развивать взрослых гибридных самок, то есть жизнеспособность самок "спасается". Предполагается, что нормальная активность этих генов видообразования заключается в "ингибировании" экспрессии генов, которые позволяют росту гибрида. Также будут и регуляторные гены. Другой ген, также расположенный на Хромосоме II D. simulans, называется "Shfr", который также позволяет развивать женских гибридов, его активность зависит от температуры, при которой происходит развитие. Другие подобные гены были обнаружены в отдельных популяциях видов этой группы. Короче говоря, для эффективного посткопулятивного барьера изоляции, опосредованного нежизнеспособностью гибридов, требуется всего несколько генов. Не менее важной, чем выявление изолированного гена, является знание его функции. Ген Hmr, связанный с Х-хромосомой и связанный с жизнеспособностью мужских гибридов между D. melanogaster и D. simulans, является геном из семейства протоонкогенов myb, который кодирует регулятор транскрипции. Два варианта этого гена прекрасно функционируют у каждого отдельного вида, но в гибриде они не функционируют правильно, возможно, из-за различного генетического фона каждого вида. Исследование последовательности аллелей двух видов показывает, что замещения с изменением направления более распространены, чем синонимические замещения, что предполагает, что этот ген подвергся интенсивному естественному отбору. Модель Добжанского-Мюллера предполагает, что репродуктивные несовместимости между видами вызваны взаимодействием генов соответствующих видов. Недавно было продемонстрировано, что Lhr функционально дивергирует в D. simulans и будет взаимодействовать с Hmr, который, в свою очередь, функционально дивергирует в D. melanogaster, вызывая летальность мужских гибридов. Lhr находится в гетерохроматической области генома, и его последовательность расходилась между этими двумя видами в соответствии с механизмами положительного отбора. Важный вопрос, на который пока нет ответа, заключается в том, соответствуют ли обнаруженные гены старым генам, которые инициировали видообразование, способствуя гибридной нежизнеспособности, или это современные гены, которые появились после видообразования путем мутации, которые не разделяются различными популяциями и которые подавляют эффект примитивных генов нежизнеспособности. Ген OdsH (сокращение от Odysseus) вызывает частичную стерильность в гибриде между Drosophila simulans и родственным видом, D. mauritiana, который встречается только на Маврикии и имеет недавнее происхождение. Этот ген монофилен у обоих видов и также подвергся естественному отбору. Считается, что это ген, который вмешивается на начальных стадиях видообразова�...
Reproductive isolation between species appears, in certain cases, a long time after fertilization and the formation of the zygote, as happens – for example – in the twin species Drosophila pavani and D. gaucha. The hybrids between both species are not sterile, in the sense that they produce viable gametes, ovules and spermatozoa. However, they cannot produce offspring as the sperm of the hybrid male do not survive in the semen receptors of the females, be they hybrids or from the parent lines. In the same way, the sperm of the males of the two parent species do not survive in the reproductive tract of the hybrid female. The development of a zygote into an adult is a complex and delicate process of interactions between genes and the environment that must be carried out precisely, and if there is any alteration in the usual process, caused by the absence of a necessary gene or the presence of a different one, it can arrest the normal development causing the non viability of the hybrid or its sterility. It should be borne in mind that half of the chromosomes and genes of a hybrid are from one species and the other half come from the other. If the two species are genetically different, there is little possibility that the genes from both will act harmoniously in the hybrid. From this perspective, only a few genes would be required in order to bring about post copulatory isolation, as opposed to the situation described previously for pre copulatory isolation. In many species where pre copulatory reproductive isolation does not exist, hybrids are produced but they are of only one sex. This is the case for the hybridization between females of Drosophila simulans and Drosophila melanogaster males: the hybridized females die early in their development so that only males are seen among the offspring. However, populations of D. simulans have been recorded with genes that permit the development of adult hybrid females, that is, the viability of the females is "rescued". It is assumed that the normal activity of these speciation genes is to "inhibit" the expression of the genes that allow the growth of the hybrid. There will also be regulator genes. A different gene, also located on Chromosome II of D. simulans is "Shfr" that also allows the development of female hybrids, its activity being dependent on the temperature at which development occurs. Other similar genes have been located in distinct populations of species of this group. In short, only a few genes are needed for an effective post copulatory isolation barrier mediated through the non viability of the hybrids. As important as identifying an isolation gene is knowing its function. The Hmr gene, linked to the X chromosome and implicated in the viability of male hybrids between D. melanogaster and D. simulans, is a gene from the proto oncogene family myb, that codes for a transcriptional regulator. Two variants of this gene function perfectly well in each separate species, but in the hybrid they do not function correctly, possibly due to the different genetic background of each species. Examination of the allele sequence of the two species shows that change of direction substitutions are more abundant than synonymous substitutions, suggesting that this gene has been subject to intense natural selection. The Dobzhansky–Muller model proposes that reproductive incompatibilities between species are caused by the interaction of the genes of the respective species. It has been demonstrated recently that Lhr has functionally diverged in D. simulans and will interact with Hmr which, in turn, has functionally diverged in D. melanogaster to cause the lethality of the male hybrids. Lhr is located in a heterochromatic region of the genome and its sequence has diverged between these two species in a manner consistent with the mechanisms of positive selection. An important unanswered question is whether the genes detected correspond to old genes that initiated the speciation favoring hybrid non viability, or are modern genes that have appeared post speciation by mutation, that are not shared by the different populations and that suppress the effect of the primitive non viability genes. The OdsH (abbreviation of Odysseus) gene causes partial sterility in the hybrid between Drosophila simulans and a related species, D. mauritiana, which is only encountered on Mauritius, and is of recent origin. This gene shows monophyly in both species and also has been subject to natural selection. It is thought that it is a gene that intervenes in the initial stages of speciation, while other genes that differentiate the two species show polyphyly. Odsh originated by duplication in the genome of Drosophila and has evolved at very high rates in D. mauritania, while its paralogue, unc 4, is nearly identical between the species of the group melanogaster. Seemingly, all these cases illustrate the manner in which speciation mechanisms originated in nature, therefore they are collectively known as "speciation genes", or possibly, gene sequences with a normal function within the populations of a species that diverge rapidly in response to positive selection thereby forming reproductive isolation barriers with other species. In general, all these genes have functions in the transcriptional regulation of other genes. The Nup96 gene is another example of the evolution of the genes implicated in post copulatory isolation. It regulates the production of one of the approximately 30 proteins required to form a nuclear pore. In each of the simulans groups of Drosophila the protein from this gene interacts with the protein from another, as yet undiscovered, gene on the X chromosome in order to form a functioning pore. However, in a hybrid the pore that is formed is defective and causes sterility. The differences in the sequences of Nup96 have been subject to adaptive selection, similar to the other examples of speciation genes described above. Post copulatory isolation can also arise between chromosomally differentiated populations due to chromosomal translocations and inversions. If, for example, a reciprocal translocation is fixed in a population, the hybrid produced between this population and one that does not carry the translocation will not have a complete meiosis. This will result in the production of unequal gametes containing unequal numbers of chromosomes with a reduced fertility. In certain cases, complete translocations exist that involve more than two chromosomes, so that the meiosis of the hybrids is irregular and their fertility is zero or nearly zero. Inversions can also give rise to abnormal gametes in heterozygous individuals but this effect has little importance compared to translocations. In such cases, selection gives rise to population specific isolating mechanisms to prevent either fertilization by interspecific gametes or the development of hybrid embryos. Because many sexually reproducing species of plants are exposed to a variety of interspecific gametes, natural selection has given rise to a variety of mechanisms to prevent the production of hybrids. These mechanisms can act at different stages in the developmental process and are typically divided into two categories, pre fertilization and post fertilization, indicating at which point the barrier acts to prevent either zygote formation or development. In the case of angiosperms and other pollinated species, pre fertilization mechanisms can be further subdivided into two more categories, pre pollination and post pollination, the difference between the two being whether or not a pollen tube is formed. (Typically when pollen encounters a receptive stigma, a series of changes occur which ultimately lead to the growth of a pollen tube down the style, allowing for the formation of the zygote.) Empirical investigation has demonstrated that these barriers act at many different developmental stages and species can have none, one, or many barriers to hybridization with interspecifics.
Хорошо документированный пример механизма изоляции перед оплодотворением приходит из исследования видов ирисов Луизианы. Эти виды радужной оболочки оплодотворялись с помощью межвидовой и одновидовой нагрузок пыльцы, и было продемонстрировано, что различия в росте пыльцевой трубки между межвидовой и одновидовой пыльцей привели к более низкой скорости оплодотворения межвидовой пыльцей. Это показывает, как определенная точка в процессе размножения манипулируется определенным изолирующим механизмом для предотвращения гибридов. Еще один хорошо документированный пример механизма изоляции растений до оплодотворения приходит из исследования двух видов березы, опыленных ветром. Изучение этих видов привело к открытию, что смешанные конспицифические и межвидовые нагрузки пыльцы все еще приводят к 98% конспицифических показателей оплодотворения, подчеркивая эффективность таких барьеров. В этом примере несовместимость пыльцевой трубки и более медленный генеративный митоз были связаны с механизмом изоляции после опыления.
A well documented example of a pre fertilization isolating mechanism comes from study of Louisiana iris species. These iris species were fertilized with interspecific and conspecific pollen loads and it was demonstrated by measure of hybrid progeny success that differences in pollen tube growth between interspecific and conspecific pollen led to a lower fertilization rate by interspecific pollen. This demonstrates how a specific point in the reproductive process is manipulated by a particular isolating mechanism to prevent hybrids. Another well documented example of a pre fertilization isolating mechanism in plants comes from study of the 2 wind pollinated birch species. Study of these species led to the discovery that mixed conspecific and interspecific pollen loads still result in 98% conspecific fertilization rates, highlighting the effectiveness of such barriers. In this example, pollen tube incompatibility and slower generative mitosis have been implicated in the post pollination isolation mechanism.
Примеры механизмов после оплодотворения
Кресты между диплоидными и тетраплоидными видами Paspalum дают свидетельства о механизме после оплодотворения, предотвращающем образование гибридов, когда пыльца от тетраплоидных видов использовалась для оплодотворения самки диплоидного вида. Были признаки оплодотворения и даже образования эндоспермы, но впоследствии эта эндосперма разрушилась. Это свидетельствует о наличии механизма изоляции раннего периода после оплодотворения, при котором гибридный ранний эмбрион обнаруживается и избирательно прерывается. Этот процесс может также происходить позже во время развития, когда развитые гибридные семена избирательно прерываются.
Crosses between diploid and tetraploid species of Paspalum provide evidence of a post fertilization mechanism preventing hybrid formation when pollen from tetraploid species was used to fertilize a female of a diploid species. There were signs of fertilization and even endosperm formation but subsequently this endosperm collapsed. This demonstrates evidence of an early post fertilization isolating mechanism, in which the hybrid early embryo is detected and selectively aborted. This process can also occur later during development in which developed, hybrid seeds are selectively aborted.
Эффекты гибридного некроза
Гибриды растений часто страдают от аутоиммунного синдрома, известного как гибридный некроз. У гибридов специфические генные продукты, вносимые одним из родителей, могут быть неправильно признаны чужеродными и патогенными и, таким образом, вызывать повсеместную гибель клеток во всем растении. По крайней мере в одном случае рецептор патогена, кодируемый наиболее изменчивым семейством генов растений, был идентифицирован как ответственный за гибридный некроз.
Plant hybrids often suffer from an autoimmune syndrome known as hybrid necrosis. In the hybrids, specific gene products contributed by one of the parents may be inappropriately recognized as foreign and pathogenic, and thus trigger pervasive cell death throughout the plant. In at least one case, a pathogen receptor, encoded by the most variable gene family in plants, was identified as being responsible for hybrid necrosis.
Перестановка хромосом в дрожжах
В пивоваренных дрожжах Saccharomyces cerevisiae хромосомные перестановки являются основным механизмом репродуктивной изоляции различных штаммов. Хоу и другие. показал, что репродуктивная изоляция действует постзиготически и может быть связана с хромосомными перестановками. Авторы исследования скрестили 60 естественных изолятов, взятых из различных нишей, с эталонным штаммом S288c и выявили 16 случаев репродуктивной изоляции с уменьшенной жизнеспособностью потомства, а также выявили взаимные хромосомные транслокации в большой части изолятов. В цитоплазме, что изменяет сперматогенез, приводящий к стерильности. Интересно, что несовместимость или изоляция могут возникать и на внутривидовом уровне. Были изучены популяции D. simulans, которые показывают гибридную стерильность в соответствии с направлением креста. Фактором, определяющим стерильность, было установлено наличие или отсутствие микроорганизма Wolbachia и толерантность или восприимчивость популяции к этим организмам. Эта несовместимость между популяциями может быть устранена в лаборатории путем введения специфического антибиотика для уничтожения микроорганизма. Подобные ситуации известны у ряда насекомых, так как около 15% видов имеют инфекции, вызванные этим симбионтом. Было высказано предположение, что в некоторых случаях процесс видообразования происходил из-за несовместимости, вызванной этой бактерией. Два вида ос Nasonia giraulti и N. longicornis несут два разных штамма Wolbachia. Скрещивание инфицированной популяции с популяцией, не инфицированной, приводит к почти полной репродуктивной изоляции полувидов. Однако если оба вида свободны от бактерий или оба лечатся антибиотиками, то репродуктивный барьер отсутствует. Wolbachia также вызывает несовместимость из-за слабости гибридов в популяциях паукообразных клещей (Tetranychus urticae), между Drosophila recens и D. subquinaria и между видами Diabrotica (бобо) и Gryllus (крикет).
In brewers' yeast Saccharomyces cerevisiae, chromosomal rearrangements are a major mechanism to reproductively isolate different strains. Hou et al. showed that reproductive isolation acts postzygotically and could be attributed to chromosomal rearrangements. These authors crossed 60 natural isolates sampled from diverse niches with the reference strain S288c and identified 16 cases of reproductive isolation with reduced offspring viabilities, and identified reciprocal chromosomal translocations in a large fraction of isolates. in the cytoplasm which alters spermatogenesis leading to sterility. It is interesting that incompatibility or isolation can also arise at an intraspecific level. Populations of D. simulans have been studied that show hybrid sterility according to the direction of the cross. The factor determining sterility has been found to be the presence or absence of a microorganism Wolbachia and the populations tolerance or susceptibility to these organisms. This inter population incompatibility can be eliminated in the laboratory through the administration of a specific antibiotic to kill the microorganism. Similar situations are known in a number of insects, as around 15% of species show infections caused by this symbiont. It has been suggested that, in some cases, the speciation process has taken place because of the incompatibility caused by this bacteria. Two wasp species Nasonia giraulti and N. longicornis carry two different strains of Wolbachia. Crosses between an infected population and one free from infection produces a nearly total reproductive isolation between the semi species. However, if both species are free from the bacteria or both are treated with antibiotics there is no reproductive barrier. Wolbachia also induces incompatibility due to the weakness of the hybrids in populations of spider mites (Tetranychus urticae), between Drosophila recens and D. subquinaria and between species of Diabrotica (beetle) and Gryllus (cricket).