References

vavilov

Вавиловский журнал генетики и селекции

Vavilov Journal of Genetics and Breeding

2500-3259

Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS

vavilov-106

Research Article

Статьи

Articles

РАЗНООБРАЗИЕ ЖИЗНЕННЫХ ЦИКЛОВ И ИХ РОЛЬ В ЭВОЛЮЦИИ БАЗОВОГО ЧИСЛА ХРОМОСОМ ГАПЛОИДНЫХ ГЕНОМОВ У РАЗНЫХ ТИПОВ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

THE DIVERSITY OF LIFE CYCLES AND THEIR ROLE IN THE EVOLUTION OF BASIC CHROMOSOME NUMBERS IN VARIOUS ORGANISMS

Щапова

А. И.

Shchapova

A. I.

shchapova@bionet.nsc.ru

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, RussiaRussian Federation

2013

18122014

171616

2014

Щапова А.И.

Shchapova A.I.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/106

В работе представлены результаты сравнительного анализа базовых чисел хромосом гаплоидных геномов у видов четырех отделов голосеменных растений (Gymnospermae), трех семейств покрытосеменных растений (Anthophyta), трех подклассов млекопитающих (Mammalia), различающихся по типу их жизненного цикла. Результаты проведенного анализа показали, что виды голосеменных и покрытосеменных растений с чередованием гапло-диплоидных фаз, спорической мейотической редукцией, гермафродитным определением пола и доминированием спорофита имеют малые базовые числа хромосом (х= 7–4), а большинство их видов являются полиплоидами.

Виды разных подклассов млекопитающих с доминированием спорофита, гаметической мейотической редукцией, раздельнополых с хромосомным наследованием пола существенно различаются по базовому числу хромосом. Виды Monotremata (яйцекладущие) имеют малое базовое число хромосом (5–) и уровень плоидности 10х, размах изменчивости среди видов Marsupialia (сумчатые) равен х = 5–6, а у Euarchontoglires (плацентарные) –х= 3–1. У сумчатых и плацентарных полиплоиды не обнаружены.

С помощью дифференциального окрашивания хромосом и различных методов флюоресцентной гибридизации хромосомоспецифических проб установлено, что эволюция базового числа хромосом у покрытосеменных растений сопровождалась неоднократной гибридизацией и полиплоидизацией малохромосомных видов с последующей дисплоидизацией посредством слияния негомологичных хромосом и реципрокных транслокаций. Полагают, что базовое число прародителя покрытосеменных видов не превышало 3– хромосом.

Результаты молекулярных и цитологических исследований у плацентарных и сумчатых видов млекопитающих показали, что изменение базовых чисел хромосом у них также происходило посредством слияний негомологичных хромосом и реципрокных транслокаций. Полагают, что базовое число хромосом прародителя плацентарных было в пределах х= от 40 до 50, у сумчатых 16–0, а у яйцекладущих 5–. Наличие существенных различий базовых чисел хромосом у прародителей трех разных подклассов млекопитающих, разошедшихся в эволюции несколько десятков млн лет назад, позволяет предположить, что в эволюции базовых чисел хромосом у прародителей сумчатых и плацентарных имела место полиплоидия с последующей дисплоидией. У проанализированных видов живых организмов установлена определенная взаимосвязь между типом их жизненного цикла и базовым числом хромосом.

Результаты проведенных исследований указывают на то, что основным фактором обнаруженных различий по базовому числу хромосом у проанализированных видов , различающихся по типу жизненного цикла, являются генетические различия их в определении пола, и значительно меньшее влияние на этот процесс оказывает продолжительность гапло-диплоидных фаз.

Basic chromosome numbers are compared among species of four gymnosperm divisions, three Anthophyta families, and three Mammalia subclasses, with different life cycle types. Gymnosperm and angiosperm species characterized by alternation of haploid and diploid phases, sporic meiotic reduction, hermaphroditism, and sporophyte predominance have small basic chromosome numbers (BCNs): x = 7 to 14, and most of their species are polyploids. Species of various mammal subclasses, with sporophyte predominance gametic meiotic reduction, dioecious, and characterized by a chromosomal sex-determination system broadly vary in BCN. Monotremata species (oviparous) have small BCNs and ploidy levels 10x. The BCN variability among marsupials is x = 5 to 16, and in Euarchontoglires (placentals) x = 3 to 51. No polyploids have been found among marsupials or placentals.

Data on chromosome banding and various kinds of fluorescence hybridization of chromosome-specific probes indicate that the BCN evolution in angiosperms was accompanied by repeated crosses and polyploidization of species with few chromosomes followed by dysploidization by means of conjugation of nonhomologous chromosomes and reciprocal translocations. It is believed that the BCN of the placental ancestor was x = 40–50; of the marsupial ancestor, 16–20; and of oviparous mammals, 5–6. The significant difference among BCNs of the ancestors of the three mammal subclasses, which diverged tens of millions of years ago, suggests that the evolution of BCNS in the ancestors of marsupials and placentals involved polyploidy followed by dysploidy.

The species analyzed demonstrate a correlation between life cycle type and BCN.

The results indicate that the genetic difference in sex determination systems were the main cause of BCN variation in the species analyzed, differing in life cycle type. The lengths of the haploid and diploid phases are of minor significance.

базовое число хромосомгаплоидный геномэволюция видовжизненные циклытипы мейотической редукции хромосом

basic chromosome numberhaploid genomespecies evolutionlife cyclestypes of meiotic chromosome reduction

References1

Авдулов Н.П. Кариосистематическое исследование семейства злаков // Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. Приложение 44 Л.: ВАСХНИЛ. Ин-т растениеводства, 1931. 428 с.

Богданов Ю.Ф. Изменчивость и эволюция мейоза // Генетика. 2003. Т. 39. № 4. С. 453–473.

Болховских З.В., Гриф В.Г., Захарьева О.И., Матвеева Т.С. Хромосомные числа цветковых растений / Под ред. А.Н. Федорова. Л.: Наука, 1969. 920 с.

Голиченков В.А., Иванов Е.А., Никерясова Е.Н. Эмбриология. М.: Издат. центр «Академия», 2004. 224 с.

Курсанов Л.И., Комарницкий Н.А., Раздорский В.Ф., Уранов А.А. Анатомия и морфология растений. Т. 1. М.: Просвещение, 1966. 423 с.

Львова И.Н. Пол у растений. М.: Изд-во МГУ, 1963. 56 с.

Муратова Е.Н., Круклис М.В. Хромосомные числа голосеменных растений. Новосибирск: Наука, 1988. 120 с.

Поддубная-Арнольди В.А. Общая эмбриология покрытосеменных растений. М.: Наука, 1964. 482 с.

Райков И.Б. Ядро простейших. Морфология и эволюция. Л.: Наука, 1978. 327 с.

Райков И.Б. Новые данные о мейозе у простейших // Генетика, биохимия и цитология мейоза. М.: Наука, 1982. С. 75–80.

Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника. Т. 1. М.: Мир, 1990а. 347 с.

Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника. Т. 2. М.: Мир, 1990б. 344 с.

Соколов В.Е. Систематика млекопитающих. М.: Высш. шк., 1973. 432 с.

Цвелев Н.Н. Злаки СССР. Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1976. 788 с.

Щапова А.И. Эволюция базового числа хромосом в семействе злаковых (Poaceae Barnh) // Вавилов. журн. генет. и селекции. 2011. Т. 15. № 4. С. 769–780.

Atlas of Mammalian Chromosomes / Eds. S.J. O’Brien, J.C. Menninger, W.G. Nash. Willey and Sons, 2006. 714 p.

Beklemisheva V.R., Romanenko S.A., Biltueva L.S. et al. Reconstruction of karyotype evolution in core Glires. I. The genome homology revealed by comparative chromosome painting // Chromosome Res. 2011. V. 19. P. 549–565.

Bennetzen J.L., Freeling M. The unifi ed glass genome: synergy in synteny // Genome Res. 1997. V. 7. P. 301–306.

De Leo A.A., Guedelha N., Toder R. et al. Comparative chromosome painting between marsupial order: relationships with a 2n = 14 ancestral marsupial karyotype // Chromosome Res. 1999. V. 7. P. 509–517.

Gaut B.S., Doebley J.F. DNA sequence evidence for the segmental allotetraploid origin of maize // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 6808–6814.

Gomez M.I., Islam-Faridi M.N., Zwick M.S. et al. Tetraploid nature of Sorghum bicolor (L.) Moench // J. Hered. 1998. V. 89. P. 188–190.

Graphodatsky A.S., Yang F., O’Brien P.C.M. et al. A comparative chromosome map of the Arctic fox, red fox and dog defi ned by chromosome painting and high resolution G-banding // Chromosome Res. 2000a. V. 8. P. 253–263.

Graphodatsky A.S., Yang F., Serdukova N. et al. Dog chromosome-specifi c paints reveal evolutionary inter-and intrachromosomal rearrangements in the American mink and human // Cytogenet. Cell Genet. 2000b. V. 90. P. 275–278.

Grutzner F., Rens W., Tsend-Ayush F. et al. In the platypus a meiotic chain of ten chromosomes shares genes with the bird Z and mammal X chromosomes // Nature. 2004. V. 432. P. 913–917.

Guerra M. Chromosome numbers in plant cytotaxonomy: concepts and implication // Cytogenet. Genome Res. 2008. V. 120. P. 339–350.

Hipp A.I. Non uniform processes of chromosome evolution in sedges (Carex: Cyperaceae) // Evolution Int. J. Org. Evol. 2007. V. 61. P. 2175–2199.

Kowalski S.P., Lan Tien-Hung, Feldmann K.A., Paterson A.H. Comparative mapping of Arabidopsis thaliana and Brassica oleracea chromosomes reveals islands of conserved organization // Genetics. 1994. V. 138. P. 499–510.

Kulemzina A.I., Nie W., Trifonov V.A. et al. Comparative chromosome painting of four Siberian Vespertilionidae species with Aselliscus stoliczkanus and Human probes // Cytogenet Genome Res. 2011a. V. 134. P. 200–205.

Kulemzina A.I., Yang F., Trifonov V.A. et al. Chromosome painting in Tragulidae facilitates the reconstruction of Ruminantia ancestral karyotype // Chromosome Res. 2011b. V. 19. P. 531–539.

Lagercrantz U., Lydiate D.J. Comparative genome mapping in Brassica // Genetics. 1996. V. 144. P. 1903–1910.

Lysak M.A., Berr A., Pecinka A. et al. Mechanisms of chromosome number reduction in Arabidopsis thaliana and related Brassicaceae species // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2006. V. 103. P. 5224–5229.

Maguire M.P. Evolution of meiosis // J. Theor. Biol. 1992. V. 154. P. 43–55.

Matsubara K., Nishida-Umehara C., Kuroiwa A. et al. Identification of chromosome rearrangements between the laboratory mouse (Mus musculus ) and the Indian spiny mouse (Mus platythrix) by comparative FISH analysis // Chromosome Res. 2003. V. 11. P. 57–64.

Moore G., Devos K.M., Wang Z., Gale M.D. Grasses, line up and form a circle // Curr. Biol. 1995. V. 5. P. 737–739.

O′Brien S.J., Menninger J.C., Nash W.G. Atlas of Mammalian Chromosomes // Canada: WILEY-LISS. 2006. P. 714.

Rambau R.V., Robinson T.J. Chromosome painting in the African four-striped mouse Rhabdomys pumili: Detection of possible murid specifi c contiguous segment combination // Chromosome Res. 2003. V. 11. P. 91–98.

Rens W., O′Brien P.C.M., Yang F. et al. Karyotype relationships between four distantly related marsupials revealed by reciprocal chromosome painting // Chromosome Res. 1999. V. 7. P. 461–474.

Rens W., O′Brien P.C.M., Yang F. et al. Karyotype relationships between distantly related marsupials from South America and Australia // Chromosoma. 2001. V. 9. P. 301–308.

Rens W., O′Brien P.C.M., Graves J.A.M., Ferguson-Smith M.A. Localization of chromosome regions in potoroo nuclei (Potorous tridactylus Marsupialia: Potoroinae) // Chromosoma. 2003. V. 112. P. 66–76.

Rens W., Grutzner R., O′Brien P.C.M. et al. Resolution and evolution of the duck-billed platypus karyotype with an X1Y1X2Y2X3Y3X4Y4X5Y5 male sex chromosome constitution // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004. V. 101. P. 16257–16261.

Trifonov V., Yang F., Ferguson-Smith M.A., Robinson T.J. Cross-species chromosome painting in the Perissodactyla: Delimitation of homologous regions in Burchells zebra (Equus burchelli) and the white (Ceratotherium simum) end black rhinoceros (Diceros bicornis) // Cytogenet. Genome Res. 2003. V. 1003. P. 104–110.

Tzvelev N.N. The system of grasses (Poaceae) and their evolution // Bot. Rev. 1989. V. 55. P. 141–204.

Volleth M., Bronner G., Go′’pfert M.C. et al. Karyotype comрarison and phylogenetic relationships of Pipistrellus-like bats (Vespertilionidae; Chiroptera; Mammalia) // Chromosome Res. 2001. V. 9. P. 25–46.

Volleth M., Heller K.-G., Pfeiffer R.A., Hameister H. A comparative ZOO-FISH analysis in bats elucidates the phylogenetic relationships between Megachiroptera and fi ve Microchiropteran families // Chromosome Res. 2002. V. 10. P. 477–497.

Whitkus R., Doebley J., Lee M. Comparative genome mapping of sorghum and maize // Genetics. 1992. V. 132. P. 1119–1130.

Wilkins A.S., Holliday R. The evolution of meiosis from mitosis // Genetics. 2009. V. 181. P. 3–12.

Yogeeswaran K., Frary A., York T.L. et al. Comparative genome analyses of Arabidopsis ssp.: Inferring chromosomal rearrangement events in the evolutionary history of A. thaliana // Genome Res. 2005. V. 15. P. 505–515.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.