Elimination of one of the parental genomes in hybrids of green frogs of the Pelophylax esculentus complex

Abstract

Программное удаление генетического материала встречается в ходе онтогенеза различных организмов от одноклеточных инфузорий до позвоночных животных. Кроме того, программируемое удаление одного из родительских геномов было обнаружено у некоторых межвидовых гибридов животных, для которых характерно клональное воспроизводство. Элиминация генетического материала одного из родительских видов является важной частью механизма воспроизводства гибридов зеленых лягушек комплекса Pelophylax esculentus. Комплекс Pelophylax esculentus состоит из двух родительских видов – Pelophylax lessonae и Pelophylax ridibundus, и их естественного гибрида Pelophylax esculentus. В зависимости от того, с каким из родительских видов сосуществует гибрид, выделяют популяционные системы L-E (P. lessonae и P. esculentus) и R-E (P. ridibundus и P. esculentus) типов. Особенностью лягушек данного комплекса является гибридогенетический способ воспроизводства, в ходе которого геном одного из родительских видов элиминируется в ходе гаметогенеза посредством формирования микроядер. Оставшийся геном эндоредуплицируется, что позволяет ему пройти мейоз и сформировать гаметы. В данном исследовании нашей целью являлось изучение особенностей элиминации и эндорепликации взрослых гибридных самцов и гибридных головастиков из популяционных систем L-E и R-E типов. В настоящем исследовании впервые применялась двуцветная флуоресцентная in situ гибридизация с зондом RrS1 для идентификации генетического материала P. ridibundus и с новым зондом Ples289 для идентификации генетического материала P. lessonae на соматических клетках и клетках зародышевого пути, а также на интерфазных ядрах и в составе микроядер. Нам удалось впервые идентифицировать хромосомы P. lessonae в сперматоцитах взрослых гибридных животных и микроядрах гибридных головастиков. Также нам удалось установить, что в ходе гаметогенеза большинства гибридных самцов из популяционных систем L-E типа происходит формирование сперматоцитов с 13 бивалентами P. ridibundus, что свидетельствует о премейотической элиминации генома P. lessonae и эндореплиции генома P. ridibundus. Кроме того, мы показали, что в ходе гаметогенеза гибридных самцов из популяционной системы R-E типа происходит премейотическая элиминация геномов разных родительских видов в разных популяциях зародышевых клеток. Также впервые было показано, что элиминация генома отсутствует в гонадах взрослых гибридных самцов.

Programmed elimination of genetic material is a part of normal ontogenesis of various organisms ranged from unicellular ciliates to vertebrates. Moreover, programmed elimination of one of the parental genomes has been found in some interspecies animal hybrids that are characterized by clonal reproduction. Elimination of genetic material of one of the parental genomes plays an important role in reproduction of water frog hybrids from the Pelophylax esculentus complex. Pelophylax esculentus complex consists of two parental species, Pelophylax lessonae and Pelophylax ridibundus, and their natural hybrid Pelophylax esculentus. Depending on which of the parental species hybrids coexists with, two types of population systems are distinguished. In L-E population systems hybrids coexist with P. lessonae, in R-E systems hybrids coexist with P. ridibundus. The peculiarity of the frogs from this complex is the hybridogenetic mode of reproduction, during which the genome of one of the parental species is eliminated during gametogenesis through micronuclei formation. The remaining genome is duplicated to bypass normal meiosis and form haploid gametes. In this study, our goal was to examine the features of elimination and endoreplication in adult hybrid males and hybrid tadpoles from L-E and R-E population systems. Here, we first applied two-colored fluorescent in situ hybridization with RrS1 probe to identify P. ridibundus genome and new Ples289 probe to identify P. lessonae genetic material in somatic and germline cells as well as in interphase nuclei and micronuclei. We managed to identify the chromosomes of P. lessonae in the spermatocytes of adult hybrid males and in the micronuclei of hybrid tadpoles for the first time. We also found out that during gametogenesis most hybrid males from L-E population systems form spermatocytes with 13 bivalents of P. ridibundus, which indicates premeiotic elimination of the P. lessonae genome and endoreplication of the P. ridibundus genome. In addition, we have shown that during gametogenesis of hybrid males from the R-E population system, premeiotic elimination of genomes of different parental species occurs in various populations of germ cells. In this study, we also have shown for the first time that genome elimination is absent in the gonads of adult hybrid males.