Партеногенез ( / ˌ p ɑːr θ ɪ n oʊ ˈ dʒ ɛ n ɪ s ɪ s , - θ ɪ n ə -/ ; [1] [2] от греческого παρθένος , parthénos , 'дева' + γένεσις , генезис , 'творение ' [3] ) — естественная форма бесполого размножения , при которой рост и развитие эмбрионов происходят в гамете (яйцеклетке или сперме) без объединения с другой гаметой (например, слияние яйцеклетки и спермия). [4] У животных партеногенез означает развитие эмбриона из неоплодотворенной яйцеклетки . У растений партеногенез является составной частью процесса апомиксиса . У водорослей партеногенез может означать развитие зародыша либо из отдельного спермия, либо из отдельной яйцеклетки. [4]
Партеногенез происходит естественным образом у некоторых растений, водорослей , видов беспозвоночных животных (включая нематод , некоторых тихоходок , водяных блох , некоторых скорпионов , тлей , некоторых клещей, некоторых пчел , некоторых фазматод и паразитических ос ) и некоторых позвоночных животных (например, некоторых рыб) . , [5] амфибии , рептилии , [6] [7] [8] и птицы [9] [10] [11] ). Этот тип размножения был искусственно вызван у некоторых видов, включая рыб, земноводных и мышей. [12] [13]
Нормальные яйцеклетки образуются в процессе мейоза и являются гаплоидными , с вдвое меньшим количеством хромосом , чем клетки тела матери. Однако гаплоидные особи обычно нежизнеспособны, а партеногенетическое потомство обычно имеет диплоидный набор хромосом. В зависимости от механизма восстановления диплоидного числа хромосом партеногенетическое потомство может иметь от всех до половины аллелей матери . При некоторых типах партеногенеза потомство, имеющее весь генетический материал матери, называется полными клонами , а потомство, имеющее только половину, - полуклонами. Полные клоны обычно образуются без мейоза. Если происходит мейоз, потомство получит только часть аллелей матери, поскольку во время мейоза происходит кроссинговер ДНК , создавая вариации.
Партеногенетическое потомство видов, использующих систему определения пола либо XY , либо X0 , имеет две Х-хромосомы и является самкой. У видов, использующих систему определения пола ZW , они имеют либо две Z-хромосомы (самцы), либо две W-хромосомы (в основном нежизнеспособные, но редко самки), либо они могут иметь одну Z и одну W-хромосому (самки).
Партеногенез не распространяется на изогамные виды. [14]
Некоторые виды размножаются исключительно партеногенезом (например, бделлоидные коловратки ), тогда как другие могут переключаться между половым размножением и партеногенезом. Это называется факультативным партеногенезом (другие термины — циклический партеногенез, гетерогамия [15] [16] или гетерогония [17] [18] ). Переключение между сексуальностью и партеногенезом у таких видов может быть вызвано сезоном ( тля , некоторые галловые осы ), или отсутствием самцов, или условиями, благоприятствующими быстрому росту популяции ( коловратки и ветвистоусые типа дафний ). У этих видов бесполое размножение происходит либо летом (тля), либо при благоприятных условиях. Это связано с тем, что при бесполом размножении успешный генотип может быстро распространяться без изменения пола или траты ресурсов на потомство мужского пола, которое не будет рожать. Некоторые виды могут производить потомство как половым путем, так и путем партеногенеза, а потомство в одной и той же кладке тропической ящерицы может представлять собой смесь потомства, полученного половым путем, и потомства, полученного партеногенным путем. [19] У калифорнийских кондоров факультативный партеногенез может происходить даже тогда, когда самец присутствует и доступен самке для размножения. [20] Во время стресса потомство, полученное половым размножением, может быть более приспособленным, поскольку у него есть новые, возможно, полезные комбинации генов. Кроме того, половое размножение обеспечивает мейотическую рекомбинацию между несестринскими хромосомами — процесс, связанный с восстановлением двухцепочечных разрывов ДНК и других повреждений ДНК, которые могут быть вызваны стрессовыми условиями. [21]
Многие таксоны с гетерогонией содержат виды, утратившие половую фазу и теперь полностью бесполые. Многие другие случаи облигатного партеногенеза (или гиногенеза) встречаются среди полиплоидов и гибридов, у которых хромосомы не могут спариваться для мейоза.
Производство потомства женского пола путем партеногенеза называется телитокией (например, у тли), тогда как образование самцов путем партеногенеза называется арренотокией (например, у пчел). Когда из неоплодотворенных яиц развиваются как самцы, так и самки, это явление называется дейтеротокией. [22]
Партеногенез может происходить без мейоза посредством митотического оогенеза. Это называется апомиктическим партеногенезом . Зрелые яйцеклетки образуются в результате митотических делений, и эти клетки непосредственно превращаются в эмбрионы. У цветковых растений этому процессу могут подвергаться клетки гаметофита . Потомство, полученное в результате апомиктического партеногенеза, является полными клонами своей матери. Примеры включают тлю.
Партеногенез с участием мейоза более сложен. В некоторых случаях потомство гаплоидное (например, самцы муравьев ) . В других случаях, называемых аутомиктическим партеногенезом , плоидность восстанавливается до диплоидии различными способами. Это связано с тем, что у большинства видов гаплоидные особи нежизнеспособны. При аутомиктическом партеногенезе потомство отличается друг от друга и от матери. Их называют полуклонами своей матери.
Аутомиксис [23] — термин, охватывающий несколько репродуктивных механизмов, некоторые из которых являются партеногенетическими. [24]
Диплоидия может быть восстановлена путем удвоения хромосом без деления клеток до начала мейоза или после его завершения. Это называется эндомитотическим циклом. Это также может произойти за счет слияния первых двух бластомеров . Другие виды восстанавливают свою плоидность за счет слияния продуктов мейоза. Хромосомы могут не разделиться в одной из двух анафаз (так называемый реституционный мейоз ), или образовавшиеся ядра могут слиться, или одно из полярных телец может слиться с яйцеклеткой на каком-то этапе ее созревания.
Некоторые авторы считают все формы аутомиксиса половыми, поскольку они связаны с рекомбинацией. Многие другие классифицируют эндомитотические варианты как бесполые и считают образующиеся эмбрионы партеногенетическими. У этих авторов порог отнесения аутомиксиса к половому процессу зависит от того, когда соединяются продукты анафазы I или анафазы II. Критерий «сексуальности» варьируется от всех случаев реституционного мейоза [25] до тех, где ядра сливаются, или только от тех, где гаметы созревают во время слияния. [24] Те случаи аутомиксиса, которые относят к половому размножению , по механизму и последствиям сравниваются с самооплодотворением .
Генетический состав потомства зависит от того, какой тип аутомиксиса имеет место. Когда эндомитоз возникает до мейоза [26] [27] или когда происходит центральное слияние (реституционный мейоз анафазы I или слияние его продуктов), потомство получает от всего [26] [28] до более половины генетического материала матери и гетерозиготность в основном сохраняется [29] (если мать имеет два аллеля локуса, то потомство, вероятно, получит оба). Это связано с тем, что в анафазе I гомологичные хромосомы разделяются. Гетерозиготность не сохраняется полностью при кроссинговере при центральном слиянии. [30] В случае премейотического удвоения рекомбинация, если она и происходит, происходит между идентичными сестринскими хроматидами. [26]
Если происходит терминальное слияние (реституционный мейоз анафазы II или слияние его продуктов), в потомстве присутствует немногим более половины генетического материала матери, и потомство в основном гомозиготно. [31] Это связано с тем, что в анафазе II сестринские хроматиды разделяются, и любая гетерозиготность возникает из-за кроссинговера. В случае эндомитоза после мейоза потомство полностью гомозиготно и имеет только половину генетического материала матери.
Это может привести к тому, что партеногенетическое потомство будет отличаться друг от друга и от своей матери.
При апомиктическом партеногенезе потомство представляет собой клоны матери и, следовательно (за исключением тлей), обычно является самками. В случае тли партеногенетически полученные самцы и самки представляют собой клоны своей матери, за исключением того, что у самцов отсутствует одна из Х-хромосом (ХО). [32]
При мейозе пол потомства будет зависеть от типа системы определения пола и типа апомиксиса. У видов, использующих систему определения пола XY , партеногенетическое потомство будет иметь две Х-хромосомы и быть самками. У видов, использующих систему определения пола ZW, генотип потомства может быть одним из ZW (самка), [28] [29] ZZ (самец) или WW (нежизнеспособен у большинства видов [31] , но плодовит , сомнительно ] жизнеспособную самку в нескольких (например, удавах)). [31] Потомство ZW производится путем эндорепликации перед мейозом или путем центрального слияния. [28] [29] Потомство ZZ и WW возникает либо путем терминального слияния [31] , либо путем эндомитоза яйцеклетки.
У полиплоидных облигатных партеногенов, таких как ящерица-хлыстохвост, все потомство - самки. [27]
У многих перепончатокрылых насекомых, таких как медоносные пчелы, женские яйца производятся половым путем с использованием спермы отца-трутня, в то время как производство дальнейших трутней (самцов) зависит от того, что матка (а иногда и рабочие) производит неоплодотворенные яйца. Это означает, что самки (рабочие и королевы) всегда диплоидны, а самцы (трутни) всегда гаплоидны и производятся партеногенетически.
Факультативный партеногенез — это термин, обозначающий ситуацию, когда самка может производить потомство половым или бесполым путем. [33] Факультативный партеногенез крайне редок в природе, и лишь несколько примеров таксонов животных способны к факультативному партеногенезу. [33] Одним из наиболее известных примеров таксонов, демонстрирующих факультативный партеногенез, являются подёнки ; предположительно, это стандартный способ размножения всех видов этого отряда насекомых. [34] Факультативный партеногенез обычно считается реакцией на отсутствие жизнеспособного самца. Самка может подвергнуться факультативному партеногенезу, если самец отсутствует в среде обитания или если он не может произвести жизнеспособное потомство. Однако калифорнийские кондоры и тропическая ящерица Lepidophyma smithii могут производить партеногенное потомство в присутствии самцов, что указывает на то, что факультативный партеногенез может быть более распространенным, чем считалось ранее, и не является просто реакцией на отсутствие самцов. [19] [35]
У тлей поколение, зачатое половым путем самцом и самкой, производит только самок. Причиной этого является неслучайное разделение половых хромосом Х и О во время сперматогенеза . [36]
Факультативный партеногенез часто используется для описания случаев спонтанного партеногенеза у нормально половых животных. [37] Например, многие случаи спонтанного партеногенеза у акул , некоторых змей , варанов Комодо и различных домашних птиц широко приписывались факультативному партеногенезу. [38] Эти случаи являются примерами спонтанного партеногенеза. [33] [37] Появление таких яиц, полученных бесполым путем, у половых животных можно объяснить мейотической ошибкой, приводящей к образованию яиц путем аутомиксиса . [37] [39]
Облигатный партеногенез – это процесс, при котором организмы размножаются исключительно бесполым путем. [40] Было показано, что многие виды с течением времени переходят к облигатному партеногенезу. Хорошо документированные переходы к облигатному партеногенезу были обнаружены у многих таксонов многоклеточных животных, хотя и с помощью весьма разнообразных механизмов. Эти переходы часто происходят в результате инбридинга или мутации внутри больших популяций. [41] Существует ряд зарегистрированных видов, в частности саламандры и гекконы, которые полагаются на облигатный партеногенез как на основной метод размножения. Таким образом, в природе существует более 80 видов однополых рептилий (в основном ящериц, но включая один вид змей), земноводных и рыб, у которых самцы больше не являются частью репродуктивного процесса. [42] Самка производит яйцеклетку с полным набором (два набора генов), предоставленным исключительно матерью. Таким образом, самцу не требуется предоставлять сперму для оплодотворения яйцеклетки. Считается, что в некоторых случаях эта форма бесполого размножения представляет собой серьезную угрозу биоразнообразию из-за последующего отсутствия изменчивости генов и потенциально снижения приспособленности потомства. [40]
Обнаружено, что некоторые виды беспозвоночных, которые имеют (частичное) половое размножение в своем естественном ареале, размножаются исключительно путем партеногенеза в районах, в которые они были интродуцированы . [43] [44] Опора исключительно на партеногенетическое размножение имеет несколько преимуществ для инвазивных видов : это устраняет необходимость для особей в очень редкой исходной популяции искать партнеров; а распределение исключительно женского пола позволяет населению размножаться и вторгаться быстрее (потенциально в два раза быстрее). Примеры включают несколько видов тли [43] и ивового пилильщика Nematus oligospilus , который является половым в своей естественной голарктической среде обитания, но партеногенетическим, когда он был завезен в Южное полушарие. [44]
Видно, что партеногенез происходит в природе у тлей , дафний , коловраток , нематод и некоторых других беспозвоночных, а также у многих растений. Среди позвоночных строгий партеногенез известен только у ящериц, змей, [45] птиц, [46] и акул, [47] у рыб, амфибий и рептилий, демонстрирующих различные формы гиногенеза и гибридогенеза (неполная форма партеногенеза). . [48] Первое женское (однополое) размножение позвоночных было описано у рыб Poecilia formosa в 1932 году. [49] С тех пор было описано не менее 50 видов однополых позвоночных, в том числе не менее 20 рыб, 25 ящериц, отдельные виды змей, лягушки и саламандры. [48] Другие обычно половые виды могут иногда размножаться партеногенетически; Дракон Комодо , акула-молот и черноперая акула - недавние дополнения к известному списку спонтанно партеногенетических позвоночных. Как и во всех типах бесполого размножения , с партеногенезом связаны как издержки (низкое генетическое разнообразие и, следовательно, восприимчивость к неблагоприятным мутациям), так и выгоды (воспроизведение без необходимости в самце).
Партеногенез отличается от искусственного клонирования животных — процесса, при котором новый организм обязательно генетически идентичен клеткам-донорам. При клонировании ядро диплоидной клетки донорского организма вставляется в энуклеированную яйцеклетку, а затем клетка стимулируется к продолжению митоза , в результате чего образуется организм , генетически идентичный донору. Партеногенез отличается тем, что он возникает из генетического материала, содержащегося в яйцеклетке, и новый организм не обязательно генетически идентичен родительскому.
Партеногенез может быть достигнут посредством искусственного процесса, как описано ниже при обсуждении млекопитающих.
Апомиксис , по-видимому, может встречаться у Phytophthora , [50] оомицета . Ооспоры от экспериментального скрещивания прорастали, и часть потомства была генетически идентична тому или иному родителю, что означает, что мейоза не произошло и ооспоры развивались путем партеногенеза.
Самцов Epiperipatus imthurni не обнаружено, а экземпляры из Тринидада размножаются партеногенетически. Этот вид — единственный известный бархатный червь , размножающийся партеногенезом. [51]
У бделлоидных коловраток самки размножаются исключительно партеногенезом (облигатный партеногенез), [52] тогда как у моногононтных коловраток самки могут чередовать половое и бесполое размножение (циклический партеногенез). По крайней мере, у одного нормально цикличного партеногенетического вида может передаваться по наследству облигатный партеногенез: рецессивный аллель приводит к потере полового размножения у гомозиготного потомства. [53]
По крайней мере, два вида рода Dugesia , плоских червей подразделения Turbellaria типа Platyhelminthes , включают полиплоидных особей, которые размножаются путем партеногенеза. [54] Этот тип партеногенеза требует спаривания, но сперма не влияет на генетику потомства (партеногенез псевдогамный , альтернативно называемый гиногенетическим). Сложный цикл спаривания диплоидных половых и полиплоидных партеногенетических особей приводит к образованию новых партеногенетических линий.
Несколько видов партеногенетических брюхоногих моллюсков были изучены, особенно в отношении их статуса инвазивных видов . К таким видам относятся новозеландская грязевая улитка ( Potamopyrgus antipodarum ), [55] мелания с красной каймой ( Melanoides tuberculata ), [56] и стеганая мелания ( Tarebia granifera ). [57]
Партеногенез у насекомых может охватывать широкий спектр механизмов. [58] Потомство, полученное в результате партеногенеза, может быть обоих полов, только женского ( телитоки , например, тли и некоторые перепончатокрылые [59] ) или только мужского пола ( арренотокии , например, большинство перепончатокрылых ). Известно, что встречаются как истинный партеногенез, так и псевдогамия ( гиногенез или спермозависимый партеногенез ). [33] Яйцеклетки, в зависимости от вида, могут образовываться без мейоза (апомиктически) или с помощью одного из нескольких аутомиктических механизмов.
Связанное с этим явление, полиэмбриония, представляет собой процесс, в результате которого из одной яйцеклетки образуется множественное клональное потомство. Это известно у некоторых перепончатокрылых паразитоидов и у Strepsiptera . [58]
У аутомиктических видов потомство может быть гаплоидным или диплоидным. Диплоиды образуются путем удвоения или слияния гамет после мейоза. Слияние наблюдается у Phasmatodea , Hemiptera ( Aleurodids и Coccidae ), Diptera и некоторых перепончатокрылых . [58]
Помимо этих форм существует гермафродитизм, при котором и яйцеклетки , и сперматозоиды производятся одной и той же особью, но не является разновидностью партеногенеза. Это наблюдается у трех видов щитовок Icerya . [58]
Было отмечено , что паразитические бактерии, такие как Wolbachia, вызывают аутомиктическую телитокию у многих видов насекомых с гаплодиплоидной системой. Они также вызывают удвоение гамет в неоплодотворенных яйцеклетках, в результате чего из них развивается потомство женского пола. [58]
У видов с гаплодиплоидной системой определения пола , таких как перепончатокрылые (муравьи, пчелы, осы) и тизаноптераны (трипсы), гаплоидные самцы образуются из неоплодотворенных яиц. Обычно яйца откладывает только королева, но не спаренные рабочие могут также откладывать гаплоидные мужские яйца либо регулярно (например, пчелы без жала), либо при особых обстоятельствах. Пример нежизнеспособного партеногенеза распространен среди домашних медоносных пчел . Пчелиная матка — единственная плодовитая самка в улье; если она умирает, не имея возможности заменить жизнеспособную королеву, рабочие пчелы нередко откладывают яйца. Это результат отсутствия феромонов матки и феромонов, выделяемых расплодом без колпачка , которые обычно подавляют развитие яичников у рабочих. Рабочие пчелы не способны к спариванию, и из неоплодотворенных яиц рождаются только трутни (самцы), которые могут спариваться только с маткой. Таким образом, за сравнительно короткий период все рабочие пчелы погибают, а за ними следуют новые трутни, если они не успели спариться до распада семьи. Считается, что такое поведение развилось, чтобы позволить обреченной колонии производить трутней, которые могут спариваться с девственной королевой и таким образом сохранять генетическое потомство колонии.
Некоторые муравьи и пчелы способны партеногенетически производить диплоидное потомство женского пола. К ним относятся подвид медоносных пчел из Южной Африки, Apis mellifera capensis , рабочие которого способны производить диплоидные яйца партеногенетически и заменять матку в случае ее смерти; другие примеры включают некоторые виды мелких пчел-плотников (род Ceratina ). Известно, что многие осы-паразиты являются партеногенетическими, иногда вследствие заражения Wolbachia .
Известно , что рабочие у пяти [30] видов муравьев и королевы у некоторых муравьев размножаются путем партеногенеза. У Cataglyphis курсора , европейского муравья-муравья , королевы и рабочие могут производить новых маток путем партеногенеза. Рабочие производятся половым путем. [30]
У электрических муравьев Центральной и Южной Америки , Wasmannia auropunctata , королевы производят больше маток посредством аутомиктического партеногенеза с центральным слиянием. Стерильные рабочие обычно получаются из яиц, оплодотворенных самцами. Однако в некоторых яйцеклетках, оплодотворенных самцами, оплодотворение может привести к удалению женского генетического материала из зиготы. Таким образом, самцы передают только свои гены, чтобы стать плодовитым потомством мужского пола. Это первый признанный пример вида животных, у которого и самки, и самцы могут воспроизводиться клонально, что приводит к полному разделению мужского и женского генофонда. [60] Как следствие, у самцов будут только отцы, а у королев - только матери, в то время как бесплодные рабочие - единственные, у кого есть оба родителя обоих полов.
Эти муравьи получают преимущества как бесполого, так и полового размножения [30] [60] — дочери, которые могут воспроизводить потомство (королевы), имеют все гены матери, в то время как бесплодные рабочие, чья физическая сила и устойчивость к болезням важны, производятся половым путем. .
Другие примеры партеногенеза насекомых можно найти у тлей, образующих галлы (например, Pemphigus betae ), самки которых размножаются партеногенетически во время фазы образования галлов их жизненного цикла, а также у травяных трипсов . У травяных трипсов рода Aptinothrips , несмотря на весьма ограниченное число видов в этом роде, наблюдалось несколько переходов к асексуальности. [61]
Размножение ракообразных варьируется как между видами, так и внутри видов. У водяной блохи Daphnia pulex происходит чередование полового и партеногенетического размножения. [62] Среди наиболее известных крупных десятиногих ракообразных некоторые раки размножаются партеногенезом. « Марморкребы » — партеногенетические раки , которые были обнаружены в торговле домашними животными в 1990-х годах. [63] Потомство генетически идентично родителю, что указывает на то, что оно размножается путем апомиксиса, т.е. партеногенеза, при котором яйца не подвергаются мейозу. [64] Колючий рак ( Orconectes limosus ) может размножаться как половым путем, так и партеногенезом. [65] Красный болотный рак Луизианы ( Procambarus clarkii ), который обычно размножается половым путем, также, как предполагается, размножается партеногенезом, [66] хотя ни одна особь этого вида не выращивалась таким образом в лаборатории. Artemia parthenogenetica — вид или серия популяций партеногенетических артемий . [67]
По крайней мере, два вида пауков семейства Oonopidae (пауки-гоблины), Heteroonops spinimanus и Triaeris stenaspis , считаются партеногенетическими, поскольку самцы никогда не были собраны. Партеногенетическое размножение было продемонстрировано в лаборатории T. stenaspis . [68]
Партеногенез у акул был подтвержден по крайней мере у трех видов: чепчиковой акулы [47] , черноперой акулы [69] и зебровой акулы [ 70] и описан у других видов.
14 декабря 2001 года в зоопарке Генри Дурли в Небраске в аквариуме, содержащем трех самок акул-молотов, но не было самцов, от чепчикоголовой акулы , разновидности маленькой акулы -молота, родился детеныш, родившийся живым 14 декабря 2001 года . Считалось, что щенок был зачат в результате партеногенеза. Детеныш акулы, очевидно, был убит скатом через несколько дней после рождения. [71] Расследование рождения было проведено исследовательской группой из Королевского университета в Белфасте, Юго-Восточного университета во Флориде и самого зоопарка Генри Дурли, и после анализа ДНК был сделан вывод, что размножение было партеногенетическим. Тестирование показало, что ДНК щенка-самки совпадает только с одной самкой, которая жила в резервуаре, и что у щенка не было ДНК самца. Щенок не был близнецом или клоном своей матери, а содержал только половину ДНК матери («аутомиктический партеногенез»). До появления этих документов этот тип размножения ранее наблюдался у костистых рыб, но никогда у хрящевых рыб, таких как акулы.
В том же году самка атлантической черноперой акулы в Вирджинии размножилась посредством партеногенеза. [72] 10 октября 2008 г. ученые подтвердили второй случай «непорочного зачатия» у акулы. Журнал «Рыбная биология» сообщил об исследовании, в котором ученые заявили, что анализ ДНК доказал, что детеныш, вынесенный самкой атлантической черноперой акулы в Аквариуме и Центре морских наук Вирджинии, не содержит генетического материала самца. [69]
В 2002 году в Аквариуме Бель-Айл в Детройте родились две белопятнистые бамбуковые акулы . Они вылупились через 15 недель после снесения. Эти роды озадачили экспертов, поскольку мать делила аквариум только с одной акулой, которая была самкой. Самки бамбуковых акул в прошлом откладывали яйца. В этом нет ничего неожиданного, поскольку многие животные откладывают яйца, даже если нет самца, который мог бы их оплодотворить. Обычно яйца считаются нежизнеспособными и их выбрасывают. Куратор оставил эту партию яиц нетронутой, так как он слышал о предыдущем рождении в 2001 году в Небраске и хотел посмотреть, вылупятся ли они. Были рассмотрены и другие возможности рождения детройтских бамбуковых акул, включая предположения о том, что акулы были оплодотворены самцом и хранили сперму в течение определенного периода времени, а также возможность того, что бамбуковая акула Бель-Айла является гермафродитом, укрывающим как мужские, так и женские половые органы и способны оплодотворять собственные яйца, но это не подтверждено. [73]
В 2008 году в венгерском аквариуме произошел еще один случай партеногенеза: одинокая самка акулы произвела на свет детеныша, так и не вступив в контакт с акулой-самцом.
Последствия партеногенеза у акул, который не приводит к увеличению генетического разнообразия потомства, вызывают обеспокоенность экспертов по акулам, принимая во внимание стратегии управления сохранением этого вида, особенно в районах, где может быть нехватка самцов из-за рыболовство или экологическое давление. Хотя партеногенез может помочь самкам, которые не могут найти себе пару, он снижает генетическое разнообразие. [ нужна цитата ]
В 2011 году повторяющийся партеногенез акул в течение нескольких лет был продемонстрирован у содержащейся в неволе зебровой акулы , разновидности ковровой акулы. [70] [74] Генотипирование ДНК показало, что отдельные акулы-зебры могут переключаться с полового размножения на партеногенетическое. [75]
В июне 2023 года открытие было сделано в зоопарке Коста-Рики , где исследователи выявили первый задокументированный случай самобеременной крокодилы . Эта самка американского крокодила, обитающая в Парке Рептилания, произвела на свет генетически идентичный плод, сходный с ней на 99,9%. Ученые предполагают, что эта уникальная способность могла быть унаследована от эволюционного предка, предполагая, что даже динозавры могли обладать способностью к самовоспроизведению. 18-летний крокодил отложил яйцо в январе 2018 года, полностью сформировавшийся плод не вылупился и родился мертвым. Примечательно, что этого крокодила держали отдельно от других крокодилов на протяжении всей ее жизни с тех пор, как он был приобретен в возрасте двух лет. [76] [77]
Большинство рептилий отряда чешуйчатых ( ящерицы и змеи ) размножаются половым путем , но партеногенез наблюдался естественным путем у некоторых видов хлыстохвостов , некоторых гекконов , скальных ящериц , [6] [78] [79] варанов Комодо , [80] и змеи. [81] Некоторые из них, такие как траурный геккон Lepidodactylus lugubris , индо-тихоокеанский домашний геккон Hemidactylus garnotii , гибридные хлыстохвосты Cnemidophorus , кавказские скальные ящерицы Darevskia и браминная слепая змея , Indotyphlops braminus , являются однополыми и обязательно партеногенетическими. Другие рептилии, такие как комодский варан, другие вараны, [82] и некоторые виды удавов , [12] [31] [83] питоны , [29] [84] физиозмеи , [85] [86] подвязочные змеи , [ 87] и гремучие змеи [88] [89] ранее рассматривались как случаи факультативного партеногенеза, но могут быть случаями случайного партеногенеза. [37]
В 2012 году американские исследователи впервые сообщили о факультативном партеногенезе у диких позвоночных среди отловленных беременных самок медноголовой и хлопковой гадюки. [90] Дракон Комодо, который обычно размножается половым путем, также оказался способен к бесполому размножению путем партеногенеза. [91] Был задокументирован случай размножения варана Комодо посредством полового размножения после известного партеногенетического события, [92] подчеркивая, что эти случаи партеногенеза являются репродуктивными несчастными случаями, а не адаптивным, факультативным партеногенезом. [37]
Некоторые виды рептилий используют хромосомную систему ZW, которая производит либо самцов (ZZ), либо самок (ZW). До 2010 года считалось, что хромосомная система ZW, используемая рептилиями, неспособна производить жизнеспособное потомство WW, но было обнаружено, что самка удава (ZW) произвела жизнеспособное потомство женского пола с хромосомами WW. [93]
Партеногенез широко изучался у хлыстохвоста Нью-Мексико из рода Aspidoscelis , 15 видов которого размножаются исключительно партеногенезом. Эти ящерицы обитают в сухом и порой суровом климате юго-запада США и севера Мексики. Все эти бесполые виды, по-видимому, возникли в результате гибридизации двух или трех половых видов рода, что привело к образованию полиплоидных особей. Механизм, с помощью которого смешение хромосом двух или трех видов может привести к партеногенетическому размножению, неизвестен. Недавно в лаборатории была выведена гибридная партеногенетическая ящерица-хлыстохвост в результате скрещивания бесполого и полового хлыстохвоста. [94] Поскольку могут происходить множественные события гибридизации, отдельные партеногенетические виды хлыстохвоста могут состоять из нескольких независимых бесполых линий. Внутри линий очень мало генетического разнообразия, но разные линии могут иметь совершенно разные генотипы.
Интересным аспектом размножения этих бесполых ящериц является то, что все еще наблюдается брачное поведение, хотя все популяции состоят из самок. Одна самка играет роль самца у близкородственных видов и садится на самку, которая собирается отложить яйца. Такое поведение обусловлено гормональными циклами самок, которые заставляют их вести себя как самцы вскоре после откладки яиц, когда уровень прогестерона высок, и брать на себя женскую роль в спаривании перед откладкой яиц, когда доминирует эстроген. Ящерицы, которые разыгрывают ритуал ухаживания, имеют большую плодовитость , чем те, которые содержатся в изоляции, из-за увеличения уровня гормонов, сопровождающего подъем. Таким образом, хотя в популяциях и не хватает самцов, для максимального репродуктивного успеха они все равно нуждаются в стимулах сексуального поведения. [95]
Некоторые партеногены ящериц демонстрируют образец географического партеногенеза, занимая высокогорные районы, где их предковые формы обладают худшей конкурентной способностью. [96] У кавказских скальных ящериц рода Darevskia , имеющих шесть партеногенетических форм гибридного происхождения [78] [79] [97] гибридная партеногенетическая форма D. «dahli» имеет более широкую нишу, чем любой из ее двуполых предков, и ее распространение по всему периметру. Центральный Малый Кавказ вызвал сокращение ареалов как материнского, так и отцовского вида. [98]
Партеногенез у птиц известен главным образом из исследований на домашних индейках и курах , хотя он отмечен и у домашнего голубя . [46] В большинстве случаев яйцо не развивается нормально или полностью до вылупления. [46] [99] Первое описание партеногенетического развития воробьиных было продемонстрировано на содержащихся в неволе зебровых амадинах , хотя делящиеся клетки имели неравномерные ядра и яйца не вылуплялись. [46]
Партеногенез у индеек, по-видимому, является результатом превращения гаплоидных клеток в диплоидные ; [99] большинство эмбрионов, полученных таким способом, погибают на ранних стадиях развития. Редко в результате этого процесса появляются жизнеспособные птицы, и скорость, с которой это происходит у индеек, может быть увеличена путем селекционного разведения , [100] однако индейки-самцы, полученные в результате партеногенеза, демонстрируют меньшие размеры семенников и пониженную плодовитость. [101]
В 2021 году зоопарк Сан-Диего сообщил, что у них было два неоплодотворенных яйца от вылупления калифорнийской программы разведения кондоров . Это первый известный пример партеногенеза у этого вида, а также один из единственных известных примеров партеногенеза, происходящего там, где все еще присутствуют самцы. [10]
Случаев естественного партеногенеза млекопитающих в дикой природе не известно. Партеногенетическое потомство млекопитающих будет иметь две Х-хромосомы и, следовательно, будет генетически женским.
В 1936 году Грегори Гудвин Пинкус сообщил об успешной индукции партеногенеза у кроликов . [102]
В апреле 2004 года ученые Токийского сельскохозяйственного университета успешно использовали партеногенез для создания мыши, лишенной отца . Используя генное нацеливание, они смогли манипулировать двумя импринтированными локусами H19/IGF2 и DLK1/ MEG3 для получения мышей с двойной матерью с высокой частотой [103] и впоследствии показать, что мыши без отца имеют увеличенную продолжительность жизни . [104]
Индуцированный партеногенез у мышей и обезьян часто приводит к аномальному развитию. Это связано с тем, что у млекопитающих есть импринтированные генетические области, в которых либо материнская, либо отцовская хромосома инактивируется у потомства, чтобы развитие протекало нормально. Млекопитающие, созданные в результате партеногенеза, будут иметь двойные дозы генов, импринтированных по материнской линии, и не иметь генов, импринтированных по отцовской линии, что приведет к аномалиям развития. Было высказано предположение [105] , что дефекты складчатости или переплетения плаценты являются одной из причин абортивного развития партенотов свиней. Как следствие, исследования партеногенеза человека сосредоточены на производстве эмбриональных стволовых клеток для использования в медицинских целях, а не в качестве репродуктивной стратегии. В 2022 году исследователи сообщили, что им удалось добиться партеногенеза у мышей для получения жизнеспособного потомства, рожденного из неоплодотворенных яиц, решив проблемы геномного импринтинга путем «целевого переписывания метилирования ДНК семи контрольных областей импринтинга». [13]
Использование электрического или химического раздражителя может вызвать начало процесса партеногенеза при бесполом развитии жизнеспособного потомства. [106]
Во время развития ооцитов высокая активность фактора, способствующего метафазе (MPF), приводит к остановке ооцитов млекопитающих на стадии метафазы II до момента оплодотворения спермой. Событие оплодотворения вызывает внутриклеточные колебания кальция и целенаправленную деградацию циклина B, регуляторной субъединицы MPF, что позволяет ооциту, задержанному MII, пройти мейоз.
Чтобы инициировать партеногенез ооцитов свиней, существуют различные методы, вызывающие искусственную активацию, имитирующую проникновение сперматозоидов, такие как обработка ионофором кальция, микроинъекция ионов кальция или электрическая стимуляция. Лечение циклогексимидом, неспецифическим ингибитором синтеза белка, усиливает развитие партенотов у свиней, предположительно, за счет постоянного ингибирования MPF/циклина B. [107] По мере развития мейоза экструзия второго поляра блокируется воздействием цитохалазина B. Результатом этого лечения является в диплоидном (2 материнских генома) партеноте [105] Партеноты могут быть хирургическим путем перенесены в реципиентный яйцевод для дальнейшего развития, но они погибнут из-за задержки развития после ≈30 дней беременности. Плацента свиного партенота часто выглядит гиповаскулярной: см. бесплатное изображение (рис. 1) в связанной ссылке. [105]
Сообщения о партеногенезе человека известны с древних времен и занимают видное место в христианстве и различных других религиях . Совсем недавно Хелен Спервей , генетик, специализирующийся на репродуктивной биологии гуппи ( Lebistes reticulatus ), в 1955 году заявила, что партеногенез, который происходит у гуппи в природе, может также происходить (хотя и очень редко) у человеческого вида, что приводит к так называемые «непорочные роды». Это произвело фурор среди ее коллег и широкой общественности. [108] Иногда эмбрион может начать делиться без оплодотворения, но он не может полностью развиваться самостоятельно; поэтому, хотя он может создавать некоторые клетки кожи и нервные клетки, он не может создавать другие (например, скелетные мышцы) и становится разновидностью доброкачественной опухоли, называемой тератомой яичника . [109] Спонтанная активация яичников не является редкостью и известна с 19 века. Некоторые тератомы могут даже превратиться в примитивные плоды (фетиформные тератомы) с несовершенными головами, конечностями и другими структурами, но нежизнеспособны.
В 1995 г. был зарегистрирован случай частичного партеногенеза человека; Было обнаружено, что у мальчика в некоторых клетках (например, лейкоцитах ) отсутствует какой-либо генетический контент его отца. Ученые полагают, что неоплодотворенная яйцеклетка начала самоделиться, но затем некоторые (но не все) ее клетки были оплодотворены сперматозоидом; это должно было произойти на ранних стадиях развития, поскольку самоактивирующиеся яйца быстро теряют способность к оплодотворению. Неоплодотворенные клетки в конечном итоге дублировали свою ДНК, увеличивая количество хромосом до 46. Когда неоплодотворенные клетки столкнулись с блокировкой развития, оплодотворенные клетки взяли верх и развили эту ткань. У мальчика были асимметричные черты лица и трудности с обучением, но в остальном он был здоров. Это сделало бы его партеногенетической химерой (ребенком с двумя клеточными линиями в теле). [110] Хотя с тех пор было зарегистрировано более дюжины подобных случаев (обычно обнаруживаемых после того, как у пациента проявились клинические отклонения), не было научно подтвержденных сообщений о нехимерном, клинически здоровом партеноте человека (т.е. полученном из одного партеногенетического -активированный ооцит). [109]
26 июня 2007 года Международная корпорация стволовых клеток (ISCC), калифорнийская компания по исследованию стволовых клеток, объявила, что ее ведущий ученый, доктор Елена Ревазова, и ее исследовательская группа были первыми, кто намеренно создал человеческие стволовые клетки из неоплодотворенных клеток. человеческие яйца с помощью партеногенеза. Этот процесс может предложить способ создания стволовых клеток, генетически соответствующих конкретной женщине, для лечения дегенеративных заболеваний, которые могут у нее возникнуть. В декабре 2007 г. д-р Ревазова и ISCC опубликовали статью [111] , иллюстрирующую прорыв в использовании партеногенеза для получения стволовых клеток человека, гомозиготных по HLA- участку ДНК. Эти стволовые клетки называются HLA-гомозиготными партеногенетическими стволовыми клетками человека (hpSC-Hhom) и обладают уникальными характеристиками, которые позволят имплантировать производные этих клеток миллионам людей без иммунного отторжения. [112] При правильном отборе доноров ооцитов в соответствии с гаплотипом HLA можно создать банк клеточных линий, чьи тканевые производные в совокупности могут быть сопоставлены по MHC со значительным количеством индивидуумов в человеческой популяции.
2 августа 2007 года после независимого расследования выяснилось, что дискредитировавший себя южнокорейский учёный Хван У Сок по незнанию произвел первые человеческие эмбрионы, возникшие в результате партеногенеза. Первоначально Хван утверждал, что он и его команда извлекли стволовые клетки из клонированных человеческих эмбрионов, но позже выяснилось, что этот результат был сфабрикован. Дальнейшее исследование хромосом этих клеток показывает показатели партеногенеза в этих извлеченных стволовых клетках, аналогичные тем, которые были обнаружены у мышей , созданных токийскими учеными в 2004 году. Хотя Хван обманул мир, утверждая, что он первым создал искусственно клонированные человеческие эмбрионы, он внес свой вклад крупный прорыв в исследованиях стволовых клеток путем создания человеческих эмбрионов с помощью партеногенеза. [113] Истина была открыта в 2007 году, спустя много времени после того, как эмбрионы были созданы им и его командой в феврале 2004 года. Это сделало Хвана первым, сам того не зная, успешно осуществившим процесс партеногенеза для создания человеческого эмбриона и, в конечном итоге, линия партеногенетических стволовых клеток человека.
Одной из форм бесполого размножения, связанной с партеногенезом, является гиногенез. Здесь потомство производится по тому же механизму, что и при партеногенезе, но с требованием, чтобы яйцеклетка просто стимулировалась присутствием сперматозоида для развития . Однако сперматозоид не передает никакого генетического материала потомству. Поскольку все гиногенетические виды являются самками, активация их яиц требует спаривания с самцами близкородственного вида для получения необходимого стимула. Некоторые саламандры рода Ambystoma являются гиногенетическими и, по-видимому, оставались таковыми уже более миллиона лет. Считается [ кем? ] что успех этих саламандр может быть обусловлен редким оплодотворением яиц самцами, внесением нового материала в генофонд, что может произойти, возможно, в результате лишь одного спаривания из миллиона. Кроме того, известно, что амазонская молли размножается гиногенезом. [114]
Гибридогенез — способ размножения гибридов . Гибридогенные гибриды (например, геном АВ ), обычно самки, в ходе гаметогенеза исключают один из родительских геномов (А) и производят гаметы с некомбинированным [115] геномом второго родительского вида (Б), вместо содержащих смешанные рекомбинированные родительские геномы. Первый геном (А) восстанавливается путем оплодотворения этих гамет гаметами первого вида (АА, половой хозяин, [115] обычно самец). [115] [116] [117]
Таким образом, гибридогенез не является полностью бесполым, а гемиклональным: половина генома передается следующему поколению клонально , в некомбинированном, неповрежденном виде (Б), другая половина - половым путем , рекомбинированная (А). [115] [118]
Этот процесс продолжается, так что каждое поколение является наполовину (или геми) клональным со стороны матери и имеет половину нового генетического материала со стороны отца.
Такая форма размножения наблюдается у некоторых живородящих рыб рода Poeciliopsis [116] [119] , а также у некоторых видов Pelophylax spp. («зеленые лягушки» или «водяные лягушки»):
и, возможно, у P. demarchii .
Другие примеры, когда гибридогенез является по меньшей мере одним из способов размножения, включают, например,