Плодовые мушки обладают сверхъестественной способностью просыпаться от многомесячной спячки именно тогда, когда их любимая пища - скажем, плоды яблони или боярышника - находится на пике. Они активны в течение пары недель, едят и спариваются, а затем впадают в спячку до конца года. Как происходит эта синхронизация и замечательное время, долгое время оставалось загадкой. В мире, где глобальное изменение климата смещает вегетационные периоды, плодовые мушки каким-то образом не отстают.
В новом исследовании ученые обнаружили множество генов, ответственных за установку внутреннего будильника мух, и обнаружили, что незаметно медленное развитие во время покоя является ключом к их быстрой генетической адаптации.
Исследование опубликовано в журнале PNAS.
Внутренние сезонные таймеры
Как медведи или суслики, плодовые мушки рассчитывают свой сон так, чтобы он совпадал с сезонной доступностью пищи. Они даже эволюционируют достаточно быстро, чтобы, скажем, сократить период покоя, чтобы использовать более продолжительный вегетационный период. Хотя некоторые виды полагаются на предсказуемое укорочение и удлинение дня, чтобы вызвать спячку (так называемый фотопериодизм), у других, по-видимому, есть внутренний механизм.
«В дополнение к 24-часовым циркадным часам, которые есть у всех нас, у многих плодовых мушек есть внутренний сезонный таймер», - говорит соавтор исследования Грегори Рэгланд, доктор философии, доцент кафедры интегративной биологии Университета Колорадо в Денвере.. «Они появляются, эксплуатируют своего хозяина и исчезают на девять или десять месяцев. Между тем, что мы знаем об экологии и генетике этого процесса, существует полезная связь, поэтому мы подошли к этому как к совместным усилиям."
В отличие от фотопериодизма, большая часть этого конкретного типа покоя или диапаузы остается неизвестной. Для расследования группа исследователей под руководством Эдвины Доул, доктора философии, и Рэгланда из CU Denver, а также Тома Пауэлла, доктора философии, и Дэниела Хана, доктора философии, из Университета Флориды, объединила свои усилия с Джеффом Федером, доктором философии, из Университета Нотр-Дам. и Стюарт Берлохер, доктор философии, из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Отслеживание темпов развития
Группа исследовала гипотезу о том, что различия в скорости развития во время диапаузы определяют различия во времени сезонной активности. Чтобы проверить это, они собрали две популяции мух Rhagoletis pomonella, которые имеют одно поколение в год и зимуют в виде диапаузирующих куколок. Одна популяция питается ягодами боярышника, произрастающими в Северной Америке, в то время как другая развила способность есть яблоки, завезенные в Северную Америку колонистами около 400 лет назад..
«Хотя на самом деле это личинка мухи, это пресловутый «червь» в яблоне, который превратился в главного вредителя урожая, изменив время своего существования так, чтобы оно совпадало с ранним временем плодоношения яблони», - говорит Рэгланд.
Исследователи наблюдали за мухами яблони и боярышника в лаборатории, имитируя зимовку в определенные промежутки времени. Во время каждого интервала они тестировали транскриптом мух, набор транскриптов РНК, который определяет признаки. Взяв образцы из мозга мух, исследователи могут сравнить снимки состава РНК, чтобы измерить различия в развитии нервной системы в течение длительных периодов времени.
«Наблюдая за их морфологией с течением времени, кажется, что они находятся в анабиозе», - говорит Рэгланд. «Но транскриптом мозга выявил тонкие, но устойчивые изменения в развитии, которые накапливались в течение шести месяцев, в конечном итоге завершив процесс, который заставил их выйти из состояния покоя».
Полигенные черты - ключ к быстрой эволюции
Это обеспечивает возможный механизм, который мухи используют для установки своего сезонного таймера. Этот процесс также, по-видимому, является ключевым для быстрой эволюции сезонности - у яблоневых мух скорость развития во время покоя немного выше, поэтому они появляются раньше в году.
Сравнивая генетические варианты, различающиеся в двух популяциях мух, исследователи обнаружили, что полигенные признаки приводят к быстроте адаптации; многие гены, каждый с очень небольшим эффектом, работали вместе, чтобы определить скорость развития. Исследование показывает, что вредители сельскохозяйственных культур и переносчики болезней насекомых со сходной биологией могут быстро реагировать на изменение климата с помощью сходного генетического механизма.
Понимание механики диапаузы также может оказать большое влияние на биомедицинские исследования, которые зависят от огромных генетических запасов мух-дрозофил, хранящихся в лабораториях по всему миру.
«Людей интересует, как лучше всего сохранить этих мух, потому что мы пока не можем сохранить их криогенно», - говорит Рэгланд. «Но если бы мы могли изменить эти линии, чтобы они впадали в диапаузу, это был бы огромный вздох».