130 лет хромосомного исследования перепончатокрылых: что нам известно к настоящему времени?

Окраска хромосом гаплоидного набора орехотворки Aulacidea hieracii (Bouché) (Cynipidae) специфическими флуорохромами: фоновая окраска ДНК, обогащенной АТ-парами, красителем DAPI (слева) и окраска сегмента, обогащенного ГЦ-парами, хромомицином A₃; этот сегмент, в данном случае представляющий собой область ядрышкового организатора, указан стрелкой (справа). Фото В.Е. Гохмана

Для перепончатокрылых характерны две генетические особенности: арренотокия и связанная с ней гаплодиплоидия, однако в пределах этой группы неоднократно происходил переход к диплоидной телитокии. К настоящему времени известны кариотипы около двух тысяч представителей Hymenoptera. Что касается методов хромосомного исследования перепончатокрылых, то, помимо обычной окраски хромосом и основанного на ней морфометрического анализа, для опознавания тех или иных элементов кариотипа с помощью дифференциальной окраски применяется ряд методик, условно разделяемых на две группы – «традиционные» и «современные». В частности, последние включают использование флуоресцентных красителей, специфически окрашивающих хромосомные сегменты, обогащенные АТ- и ГЦ-парами оснований ДНК. Кроме того, важнейшим способом физического картирования последовательностей является флуоресцентная гибридизация in situ (FISH). Наконец, полезными для изучения химического состава и структуры хромосом также могут оказаться методы иммуноцитохимии. За последнее время существенно возросло значение исследования кариотипов отряда Hymenoptera для систематики. Что касается филогении перепончатокрылых, то ее знание необходимо для определения направлений эволюции кариотипа данного отряда, однако в некоторых случаях хромосомные признаки также можно рассматривать в качестве синапоморфий, маркирующих различные филогенетические ветви. Изучение кариотипов имеет важнейшее значение и для собственно генетических исследований перепончатокрылых. Наиболее часто методом FISH картируются повторяющиеся последовательности, однако этот способ может применяться и для локализации уникальных генов. В пределах отряда Hymenoptera предприняты успешные попытки идентификации отдельных хромосом и их сегментов с использованием FISH и хромосомной микродиссекции. Кроме того, методы иммуноцитохимии позволяют картировать распределение различных химических соединений по длине хромосом.

Статья представляет собой обзор исторического развития и современного состояния исследований по цитогенетике отряда перепончатокрылых (Hymenoptera) – одной из наиболее богатых видами, таксономически сложных и практически важных групп насекомых. Для данного отряда характерны две генетические особенности: арренотокия (то есть развитие самцов, в отличие от самок, из неоплодотворенных яиц) и связанная с ней гаплодиплоидия (диплоидность самок и гаплоидность самцов), однако в пределах этой группы неоднократно происходил переход к диплоидной телитокии, когда из неоплодотворенных яиц появляются только самки.

К настоящему времени известны кариотипы около двух тысяч представителей перепончатокрылых. Историю изучения хромосомных наборов данной группы, первые результаты которого были опубликованы в 1892 году, то есть ровно 130 лет назад, можно предварительно разделить на четыре этапа. Примерные границы между этими этапами приходятся на 1930-е, 1970-е и 2000-е годы.

Что касается методов хромосомного исследования перепончатокрылых, используемых в настоящее время, то, помимо обычной окраски хромосом и основанного на ней морфометрического анализа, для опознавания тех или иных элементов кариотипа с помощью дифференциальной окраски применяется ряд методик, условно разделяемых на две группы – «традиционные» и «современные». К первым прежде всего относятся т.н. C- и AgNOR-окраски, соответственно выявляющие сильнее спирализованные и, следовательно, более интенсивно окрашенные гетерохроматиновые районы хромосом, а также область ядрышкового организатора – район, в котором происходит считывание находящихся там генов рибосомной РНК. Наряду с этим, для исследования кариотипов ныне широко применяются современные методы, включающие использование флуоресцентных красителей (флуорохромов), в том числе специфически окрашивающих хромосомные сегменты, обогащенные АТ- и ГЦ-парами оснований ДНК (например, DAPI и хромомицина А₃ соответственно) (заглавная иллюстрация). Кроме того, важнейшим способом физического картирования последовательностей ДНК является флуоресцентная гибридизация in situ (FISH), предусматривающая гибридизацию ДНК на хромосомных препаратах с последовательностями, меченными теми или иными флуорохромами. Наконец, полезными для изучения химического состава и структуры хромосом также могут оказаться методы иммуноцитохимии, включающие использование специфических антител, также обычно меченных флуоресцентными красителями.

За последнее время существенно возросло значение исследования кариотипов отряда Hymenoptera для систематики, особенно в рамках так называемой интегративной таксономии, использующей все доступные исследователям данные для выявления и уточнения границ между видами. Более того, весьма перспективным для обнаружения новых видов оказалось совместное использование методов классической цитогенетики и молекулярной генетики. Что касается филогении перепончатокрылых, то ее знание необходимо для определения направлений эволюции кариотипа данного отряда, однако в некоторых случаях хромосомные признаки также можно рассматривать в качестве синапоморфий, то есть продвинутых признаков, маркирующих различные филогенетические ветви. Изучение кариотипов имеет важнейшее значение и для собственно генетических исследований перепончатокрылых. Число хромосом определяет количество групп сцепления генов в составе генома, но хромосомные числа также можно использовать в качестве мерила уровней генетической рекомбинации, особенно в контексте больших массивов данных (“big data”). Кроме того, значение работ по физическому картированию последовательностей ДНК особенно возрастает в свете современных усилий по секвенированию геномов. Наиболее часто методом FISH картируются повторяющиеся последовательности, однако этот способ может применяться и для локализации уникальных генов. В пределах отряда Hymenoptera предприняты успешные попытки идентификации отдельных хромосом и их сегментов с использованием FISH и хромосомной микродиссекции, которая дает возможность исследовать ДНК, характерную для тех или иных элементов кариотипа. Кроме того, методы иммуноцитохимии позволяют картировать распределение различных химических соединений по длине хромосом.

Дальнейший прогресс хромосомных исследований перепончатокрылых, очевидно, прежде всего связан с изучением новых таксонов и с использованием таких молекулярно-генетических методов, как FISH и иммуноцитохимическое исследование хромосом. Наряду с этим, новые достижения в области анализа преобразований хромосомных наборов Hymenoptera осуществимы только при условии создания возможно более детальных и надежных филогенетических реконструкций.

О других открытиях хромосомных исследований перепончатокрылых читайте в статье и синопсисе автора на страницах «Журнала общей биологии»: «Если посмотреть вооруженным глазом»: как различать виды наездников?