Свежие комментарии

  • Степан Капуста
    У насекомых так же. Они тоже видят в УФОперение ряда вид...
  • Степан Капуста
    Про Костюкову я раньше слышал по работе. Не знал, что она из потомков Чуковского.Кем стали дети, в...
  • Анастасия И
    Достойные потомки.Кем стали дети, в...

Симбиотические дрожжи помогают дрозофилам адаптироваться к соленому корму

Способность модельных видов животных, таких как плодовая мушка Drosophila melanogaster, быстро адаптироваться к различным неблагоприятным условиям была продемонстрирована во многих эволюционных экспериментах. При этом «по умолчанию» считается, что адаптация происходит за счет изменения генофонда подопытной популяции животных. Однако данные, полученные в ходе эволюционного эксперимента, проводимого на кафедре биологической эволюции МГУ, показывают, что важную роль в адаптации дрозофил к неблагоприятному кормовому субстрату может играть изменение численности и видового состава дрожжей, переносимых мухами на поверхности тела и в кишечнике. Результаты согласуются с идеей о том, что в некоторых случаях имеет смысл рассматривать в качестве эволюционирующей единицы не отдельный организм, а «холобионт» — совокупность макроорганизма и всех его микробных спутников.

В природных условиях плодовые мушки Drosophila melanogaster обычно не живут на соленых субстратах. В лаборатории они, однако, могут за несколько десятков поколений адаптироваться к корму с высоким (до 7–8%) содержанием поваренной соли — при том что для «наивных», неадаптированных дрозофил концентрация выше 2% уже является неблагоприятным фактором, замедляющим развитие личинок и повышающим смертность, а при концентрации 4% смертность становится массовой.

Адаптация дрозофил к соли — пусть и не самая реалистичная, но зато удобная лабораторная модель, неоднократно использовавшаяся в эволюционных экспериментах, начиная с классических работ Конрада Уоддингтона (C. H. Waddington, 1959. Canalization of development and genetic assimilation of acquired characters). К тому же в других семействах двукрылых, особенно в близком к дрозофилидам семействе Ephydridae (мушки-береговушки), есть немало видов, адаптированных к соленой среде (рис. 2).

Рис. 2. Чайка объедается солелюбивыми мухами Ephydra hians, роящимися у берегов щелочного соленого озера Моно в Калифорнии

Когда в эволюционном эксперименте наблюдается рост приспособленности подопытных организмов к исходно неблагоприятной для них среде, то обычно «по умолчанию» предполагается, что в основе адаптации лежат изменения генофонда популяции, происходящие под действием отбора, или, может быть, более эфемерные эпигенетические изменения. Но есть и еще одна возможность, которая обычно упускается из вида: адаптация в принципе может быть обусловлена изменениями не самого организма, а его микроскопических симбионтов. Ведь эволюционные эксперименты, например на дрозофилах, проводятся не в стерильной обстановке: это крайне трудно технически, да и безмикробная муха — существо хоть и жизнеспособное в тепличных условиях, но довольно-таки противоестественное.

Известно, что микробы влияют на самые разные аспекты физиологии, развития, поведения животных и даже на их внешний облик (см. Симбиотические бактерии перекрашивают своих хозяев в зеленый цвет, «Элементы», 30.11.2010). Однако до недавнего времени не было прямых подтверждений того, что наблюдаемая в ходе эволюционных экспериментов адаптация животных к неблагоприятным условиям может быть отчасти связана с изменениями сопутствующего микробиома, а не самих животных.

В жизни дрозофил важнейшую роль играют бактерии и дрожжи, переносимые мухами в кишечнике и на поверхности тела. В частности, дрожжи, развивающиеся на любимых дрозофилами бродящих растительных кормовых субстратах, составляют важную часть рациона личинок и взрослых мух. Отдельные дрожжевые клетки ухитряются проходить живыми через пищеварительный тракт насекомого, к тому же они прилипают к телу и лапкам мух, что позволяет мухам эффективно переносить дрожжи с субстрата на субстрат. Есть даже данные, указывающие на то, что некоторые дрожжи используют это к своей выгоде, выделяя привлекающие мух летучие вещества (причем эти виды дрожжей не обязательно являются самыми полезными для мушиного здоровья (C. Anagnostou et al., 2010. Influence of dietary yeasts on Drosophila melanogaster life-history traits). Микробиом может более или менее устойчиво передаваться в ряду поколений благодаря тому, что личинки развиваются в субстрате, на котором до этого жили их родители. Хотя, конечно, такая «наследственность» гораздо менее надежна, чем обычная генетическая, и при смене диеты микробиом может довольно быстро измениться.

В ходе эволюционного эксперимента, проводимого нами с 2014 года на кафедре биологической эволюции биологического факультета МГУ, подопытные линии Drosophila melanogaster адаптируются к неблагоприятным кормовым субстратам, в том числе — к корму с высоким содержанием поваренной соли («Элементы» уже рассказывали об этом эксперименте и некоторых его результатах, см. ссылки в конце новости). Как и в прежних подобных исследованиях, уже через год после начала эксперимента мухи довольно успешно приспособились к соленому корму. При этом мы заметили, что мухи из солевыносливых линий, как правило, несут на себе (или в себе) намного больше дрожжей, чем мухи из контрольных линий, живущих на стандартном благоприятном корме. Например, если посадить в пробирку со свежим кормом пару солевыносливых мух, то поверхность корма за пару дней покрывается слоем дрожжей, хорошо видимым невооруженным глазом. В такой же пробирке с парой контрольных мух дрожжи развиваются медленнее. Это побудило нас совместно с коллегами с кафедры биологии почв факультета почвоведения — специалистами по дрожжам — вплотную заняться выяснением возможной роли дрожжей в адаптации мух к соли.

В новой статье, опубликованной в журнале PloS ONE, подведены итоги экспериментов, проводившихся в течение четырех лет (рис. 1). В статье рассмотрены две линии солевыносливых мух (Fs1, Fs2) и две линии контрольных (Fn1, Fn2). Работа состояла из четырех этапов.

1. Адаптация к соли действительно произошла. Сначала мы убедились, что линии Fs1 и Fs2 действительно более толерантны к высокой (4%) концентрации соли в корме по сравнению с линиями Fn1 и Fn2. Это проявляется в том, что 10 пар случайно выбранных мух из солевыносливых линий, посаженные в банку с соленым кормом, в среднем производят в два-три раза больше потомков, доживающих до зрелости (стадии имаго), чем 10 пар «наивных» мух из контрольных линий в таких же условиях: первые оставляют примерно по 160–170 потомков на 10 пар родителей, вторые — по 50–80. Стало быть, солевыносливость у линий Fs1 и Fs2 действительно повысилась, а значит, есть смысл поискать ее причины.

2. Посев гомогенизированных солевыносливых мух помогает «наивным» мухам размножаться на соленом корме. Чтобы проверить, помогают ли микробы солевыносливым мухам жить и размножаться на соленом корме, мы приготовили из мух всех четырех линий гомогенаты (то есть просто растерли их в стерильной воде и тщательно размешали), а потом намазали этими гомогенатами поверхность соленого корма в банках (из расчета по 15 давленых мух на банку объемом 250 мл с 67 мл корма; муха весит примерно 1 мг). Подождав два дня, чтобы присутствующие в гомогенате микробы успели размножиться, мы посадили в банки по 10 самцов и 10 самок из «наивной», то есть не адаптированной к соли, линии Fn1 и стали следить за развитием их потомства.

В итоге в банках с посевом гомогената солевыносливых мух (Fs1 или Fs2) наивные мухи Fn1 произвели в среднем по 290 доживших до зрелости потомков (на 10 пар родителей), а в банках с посевом гомогената контрольных мух (Fn1 или Fn2) — только по 180. Ранее мы уже проделывали этот фокус с четырьмя другими подопытными линиями (двумя солевыносливыми и двумя контрольными), которые содержатся в немного иных условиях, хотя и на тех же кормах. Результаты получились точно такие же, то есть эффект оказался воспроизводимым: гомогенат солевыносливых мух сильнее повышает эффективность размножения неадаптированных мух на соленом корме по сравнению с гомогенатом контрольных мух.

Этот результат согласуется с предположением о том, что микробы, живущие в кишечнике и на поверхности тела солевыносливых мух, каким-то образом помогают мухам жить и размножаться на соленом корме. Конечно, можно предложить и другие интерпретации: например, что если солевыносливые мухи сами по себе более питательны и полезны для здоровья личинок и имаго, чем контрольные мухи, а микробы тут ни при чем? Исключить эту возможность не так-то просто. Скажем, если убить всех микробов в мухах или приготовленных из них гомогенатах при помощи антибиотиков и фунгицидов, это может породить много побочных эффектов, из-за которых интерпретация результатов станет еще более затруднительной. Мы пока пошли другим путем: выделили из мух чистые культуры дрожжей и проверили их влияние на размножение наивных мух на соленом корме.

3. Дрожжевые микробиомы солевыносливых и контрольных мух сильно различаются. При помощи микробиологических посевов в гомогенатах изучаемых линий мух удалось выявить пять видов дрожжей: Pichia occidentalis (во всех четырех линиях), Zygosaccharomyces bailii (в линиях Fn1 и Fn2), Starmerella bacillaris (Fs1 и Fs2), Candida californica (Fs1), Pichia membranifaciens (много в Fs2, единичные клетки в Fn1). Таким образом, самые контрастные различия между солевыносливыми и контрольными мухами связаны с видами S. bacillaris, который есть у обеих солевыносливых линий и отсутствует у обеих контрольных, и Z. bailii, которого, наоборот, много в обеих контрольных линиях и совсем нет в солевыносливых. Ранее мы провели такой же анализ для четырех других линий мух, упомянутых выше. У них нашлось только два вида дрожжей (S. bacillaris и P. membranifaciens), причем первый вид был обилен в обеих солевыносливых линиях и отсутствовал или был очень малочислен в двух контрольных. Таким образом, у всех четырех солевыносливых линий мух, изученных на данный момент, присутствует много дрожжей вида S. bacillaris, тогда как у всех четырех контрольных линий мух этот вид дрожжей либо отсутствует, либо представлен единичными клетками. Численность остальных видов дрожжей варьирует в широких пределах и не так строго коррелирует с принадлежностью мух к солевыносливой или контрольной линии.

4. Дрожжи, выделенные из солевыносливых мух, наиболее эффективно помогают мухам размножаться на соленом корме. Мы выделили 5 штаммов дрожжей в чистые культуры (три штамма из солевыносливых мух Fs1 и два из контрольных Fn1) и засеяли этими дрожжами поверхность соленого корма в банках (из расчета по 1 мг дрожжевой биомассы на банку). Подождав два дня, как и в опыте с гомогенатами, мы посадили в эти банки по 10 пар «наивных» родителей из линии Fn1 и подсчитали, сколько потомков им удастся произвести. В качестве контролей использовалась стерильная вода без дрожжей и обычные пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), которые в природе на дрозофилах почти никогда не встречаются. Таким образом, всего было 7 вариантов опыта, в каждом варианте — по 7–8 банок, в каждой банке — по 20 мух-родителей.

В итоге в тех банках, где на соленый корм были посеяны дрожжи, выделенные из солевыносливых мух Fs1 (S. bacillaris, P. occidentalis или C. californica), мухи произвели в среднем по 252 потомка на 10 пар родителей. Больше всего потомков (в среднем 294) произвели мухи в банках с дрожжами S. bacillaris, но статистически это незначимое преимущество, потому что банок было мало, а разброс большой. В банках с посевами дрожжей из неадаптированных к соли мух Fn1 (P. occidentalis или Z. bailii) вывелось в среднем по 127 потомков. Оба контроля — чистая вода и пекарские дрожжи — показали одинаково низкий результат: в среднем по 75 потомков на 10 пар родителей, то есть примерно столько же, что и в опыте №1 вообще без всяких посевов. Варианты с дрожжами из солевыносливых мух статистически значимо отличаются от контролей, варианты с дрожжами из неадаптированных к соли мух — незначимо (рис. 4).

Полученные результаты хорошо согласуются с гипотезой о том, что развившаяся в ходе эволюционного эксперимента повышенная устойчивость мух Fs1 и Fs2 к соленому корму объясняется, по крайней мере отчасти, изменениями дрожжевого микробиома, а не самих насекомых. Это, в свою очередь, согласуется с идеей Линн Маргулис о том, что имеет смысл рассматривать в качестве эволюционирующей единицы не отдельный организм, а холобионт (см. Holobiont) — совокупность макроорганизма и всех его микробных спутников (L. Margulis, R. Fester, eds., 1991. Symbiosis as a Source of Evolutionary Innovation).

Каким образом дрожжи помогают мухам жить и размножаться на соленом корме, играет ли в этом какую-то роль бактериальная часть микробиома, как сказываются изменения микробиома, в том числе адаптивные, на эволюции самих мух — на все эти вопросы должны ответить дальнейшие исследования. Хотелось бы также прояснить вопрос о том, насколько специфическими и устойчивыми могут быть взаимоотношения между дрожжами и переносящими их мухами. На данный момент принято считать, что эти взаимоотношения не слишком устойчивы («loose symbiosis»): как дрозофилы, так и дрожжи часто и легко меняют своих «партнеров» и как будто бы вполне могут обходиться друг без друга. С другой стороны, было показано, что личинки дрозофил, копошащиеся в кормовом субстрате (в данном случае это были бананы), стимулируют развитие определенных видов дрожжей (в том числе S. bacillaris и C. californica), одновременно подавляя рост других грибов.

В результате грибные сообщества, развившиеся на бананах в присутствии личинок, оказались намного более однообразными и включали меньше видов, чем сообщества, развившиеся на бананах без личинок. Зато численность тех дрожжей, которым личинки «помогали» расти, в первом случае оказалась выше (J. A. Stamps et al., 2012. Drosophila Regulate Yeast Density and Increase Yeast Community Similarity in a Natural Substrate). Так что не исключено, что иногда взаимоотношения дрозофил и дрожжей всё-таки бывают достаточно специфичными, чтобы их можно было отнести к категории «сельскохозяйственных симбиозов» (см. Выращивание монокультур — ключ к эффективности сельского хозяйства у термитов, «Элементы», 24.11.2009).

Источник: A. S. Dmitrieva, S. B. Ivnitsky, I. A. Maksimova, P. L. Panchenko, A. V. Kachalkin, A. V. Markov. Yeasts affect tolerance of Drosophila melanogaster to food substrate with high NaCl concentration // PLoS ONE. 2019. V. 14(11). P. e0224811. DOI: 10.1371/journal.pone.0224811.

См. также о результатах эволюционного эксперимента на дрозофилах, проводимого на кафедре биологической эволюции МГУ:
1) Неадаптивная фенотипическая пластичность затрудняет видообразование, «Элементы», 09.12.2015.
2) Способствует ли адаптация к разным диетам развитию репродуктивной изоляции?, «Элементы», 16.10.2018.
3) С. Б. Ивницкий. В меню плодовой мушки может появиться... соленый огурец! (по статье: А. С. Дмитриева и др., 2016. Адаптация Drosophila melanogaster к неблагоприятному кормовому субстрату сопровождается расширением трофической ниши).
4) С. Б. Ивницкий. Успех адаптации мух Drosophila melanogaster к избытку соли в корме зависит от дрожжей определенного вида (по статье: С. Б. Ивницкий и др., 2018. Роль микробиома в адаптации Drosophila melanogaster к кормовому субстрату с повышенной концентрацией NaCl).
5) Е. Яковлева, А. Горшкова, Е. Фетисова. Мухи, приспособленные к неоднородной среде, получают эволюционное преимущество (по статье: А. А. Горшкова и др., 2018. Влияние пространственной гетерогенности среды на адаптацию Drosophila melanogaster к неблагоприятным кормовым субстратам: результаты эволюционного эксперимента).

Александр Марков

Let's block ads! (Why?)

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх