Биологи из Гонконгского баптистского университета (HKBU) провели исследование по секвенированию и анализу геномов четырех видов яблочных улиток из семейства Ampullariidae. Исследователи обнаружили, что яблочные улитки эволюционировали, чтобы стать очень чувствительными к раздражителям окружающей среды, переваривать целлюлозу (основной компонент клеточной стенки растений), формировать твердую известковую яичную скорлупу и накапливать нейротоксины в яйцах. Полученные данные могут способствовать разработке эффективных мер генетического контроля для этих губительных улиток, поедающих урожай.
Четыре вида яблочных улиток - это африканская Lanistes nyassanus и южноамериканская Pomacea canaliculata, Pomacea maculata и Marisa cornuarietis. Среди них два вида Pomacea являются наиболее инвазивными. Пресноводные Pomacea широко распространены в тропических и субтропических пресных водах. Эти уроженцы Южной Америки распространились по многим другим частям мира. В Китае, Японии, Таиланде и на Филиппинах они считаются вредителями риса номер один.
Pomacea вторглись в Гонконг в начале 1980-х годов, и теперь они широко распространены в различных пресноводных местообитаниях на Новых территориях. Хотя большинство рисовых полей в Гонконге заброшены, улитки проникли в огороды и повредили полуводные культуры, особенно водяной шпинат и кресс-салат. Они также сократили биоразнообразие водно-болотных угодий, поедая растения и охотясь на животных, живущих на дне прудов и ручьев.
Исследовательская группа под руководством профессора Цю Цзяньвэня, заместителя руководителя и профессора кафедры биологии HKBU секвенировала и собрала геномы четырех видов яблочных улиток. Помимо коллег из HKBU, в команду вошли сотрудники из Гонконга, материкового Китая, США, Аргентины и Франции.
Секвенирование генома показывает, что яблочные улитки имеют долгую эволюционную историю, насчитывающую более 150 миллионов лет на древнем континенте Гондвана. После распада Гондваны примерно 100 миллионов лет назад они развились отдельно в Африке и Южной Америке. В то время как в Африке и Южной Америке Lanistes и Marisa сохранили, соответственно, древнюю черту откладывания яиц под водой, в Южной Америке Pomacea эволюционировали, чтобы откладывать яйца на суше. Таким образом, сравнение африканских и южноамериканских видов яблочных улиток позволило исследователям выявить некоторые геномные инновации, которые позволили Pomacea стать настолько инвазивными.
Экологические зонды и пищеварение растений
Сравнивая геномы яблочных улиток и других моллюсков, команда обнаружила 28 семейств генов, которые были существенно расширены. Сюда входят некоторые гены, функционально связанные с хеморецепцией, которые сильно экспрессируются в сенсорных щупальцах, что указывает на то, что они могут иметь повышенную способность к восприятию окружающей среды.
Целлюлоза - это структура скелета зеленых растений, которая помогает растению оставаться жестким и сильным. В отличие от большинства животных, которые полагаются на кишечные бактерии или грибы для расщепления целлюлозы, эти виды яблочных улиток кодируют несколько копий генов целлюлазы, что позволяет им секретировать целлюлазы непосредственно для активного разложения целлюлозы. Эта способность может помочь объяснить, почему виды яблочных улиток могут переваривать широкий спектр растительных материалов и использовать различные пресноводные водно-болотные угодья.
Формирование твердой яичной скорлупы
Исследовательская группа также сравнила геномы Марисы и Ланистес, которые откладывают яйца под водой, и двух видов Pomacea, откладывающих яйца на суше. Способность земноводных Pomacea жить в воде и откладывать яйца на суше считается ключевой адаптацией, которая позволяет им избегать хищничества и паразитирования водных яиц. Чтобы сделать возможным такое резкое изменение воспроизводства, яйца Pomacea должны быть в состоянии выжить на суше.
Команда обнаружила, что новое приобретение белка, связывающего кальций (CaBP), позволяет Pomacea образовывать твердую яичную скорлупу, которая физически защищает яйцо и предотвращает его высыхание.
Новый защитный белок
Помимо твердой яичной скорлупы, Pomacea приобрела в своих яйцах новый нейротоксический перивителлин, называемый PV2, для защиты от наземных хищников. Предыдущие исследования показали, что PV2 представляет собой комплекс из двух белков: мембраноатакующего комплекса/перфорина (MACPF), который является нейротоксичным, и другого белка, называемого тахилектином, который связывается с мембраной клетки-мишени хищника. С помощью сравнительного геномного анализа команда обнаружила, что после многократного дублирования ген приобрел новую функцию (то есть секрецию PV2 через белковую железу). Таким образом, дупликация гена может быть ответственна за происхождение PV2, еще одного ключевого нововведения, позволившего предкам Pomacea перейти от кладки яиц под водой к наземной.
Последствия
Поскольку Ampullariidae является раннедивергирующим семейством Caenogastropoda, одним из видов моллюсков и самой разнообразной группой, на долю которой приходится более 60% всех видов брюхоногих моллюсков, геномы видов яблочных улиток идеально подходят для сравнительных исследований с другие моллюски, для которых доступно лишь несколько опубликованных геномов.
Профессор Цю сказал: «Геномные данные, обнаруженные командой, являются ценным ресурсом для понимания особенностей генома предков в пределах экологически важных и биологически разнообразных ценогастроподов. результаты этого исследования могут быть использованы для разработки эффективных стратегий контроля, включая синтез химических моллюскоцидов и разработку мер генетического контроля с использованием интерференции рибонуклеиновой кислоты (РНК)».