Более века назад ранние генетики показали, что наследование одной мутации плодовыми мушками может изменить цвет тела насекомого и одновременно нарушить его брачное поведение.
Исследования, проведенные в лаборатории Томаса Ханта Моргана, впервые продемонстрировали, что некоторые виды поведения имеют генетическую основу. Эксперименты с плодовыми мушками также дали ранний пример плейотропии - явления, при котором один ген может влиять на несколько признаков.
В последующие десятилетия ученые не смогли удовлетворительно объяснить, как одна генетическая мутация смогла изменить цвет тела самца плодовой мушки с коричневого на желтый и в то же время повлиять на брачное поведение. Некоторые исследователи предположили, что мутация вызвала изменения в мозгу, препятствующие спариванию.
Но в исследовании, опубликованном 15 октября в журнале eLife, биологи Мичиганского университета показывают, что разгадка тайны желтой мухи не в крошечном мозгу насекомого. Вместо этого это связано с изменениями в морфологии специализированных структур ног, называемых половыми гребнями.
Исследователи использовали серию генетических скринингов и высокоскоростных видеозаписей спаривания, чтобы продемонстрировать, что самцы желтых мух, лишенные пигментов в половых гребнях, не могут схватить самок для установки и совокупления после ухаживания. Полученные данные объясняют, почему желтые мухи плохо спариваются, а также показывают, почему у дрозофил есть половые гребни, которые представляют собой модифицированные щетинки на передних ногах с ранее неизвестной функцией.
Кроме того, результаты исследования могут в конечном итоге найти применение в индустрии борьбы с вредителями и в общественном здравоохранении, по словам первого автора исследования Джонатана Мэсси, который выполнил работу в рамках своей докторской диссертации на факультете экологии UM. и эволюционная биология. Его советником была Патриция Виткопп из EEB, старший автор статьи eLife.
«Мы стремились разгадать загадку желтой мухи, потому что ответ помог бы лучше объяснить, как гены, контролирующие морфологию животных, могут также влиять на поведение животных», - сказал Мэсси, который в настоящее время является научным сотрудником с докторской степенью в Гарвардской медицинской школе и Бостонском детском саду. Больница.
"Если, например, специалисты по борьбе с вредителями будут иметь более четкое представление о том, как отдельные мутации вызывают критические нарушения в успешном спаривании, они могут разработать целевые стратегии для блокировки размножения видов, передающих болезни или уничтожающих урожай."
У насекомых пигменты синтезируются из химического вещества допамина, который наиболее известен как нейротрансмиттер, используемый в мозге животных для передачи сообщений между нервными клетками. Было высказано предположение, что из-за связи с дофамином у желтых плодовых мушек изменился уровень нейротрансмиттера в мозге, что привело к их ненормальному спариванию.
Но Мэсси и его коллеги смогли показать, что роль дофамина в синтезе пигмента, а не его работа в качестве нейротрансмиттера, была виновата в наблюдаемых проблемах спаривания. У желтых мутантов отсутствует пигмент меланин, который у плодовых мушек также отвечает за жесткость различных частей тела, включая половые гребешки.
Исследователи предположили, что без меланина половым гребням, возможно, не хватало жесткости, необходимой для захвата живота самки при попытке взобраться на нее и совокупиться. Чтобы проверить эту идею, Мэсси и его коллеги использовали сканирующую электронную микроскопию для изучения половых гребешков самцов-мутантов и наблюдали структурные изменения, включая трещину в одном из зубцов гребня..
«Мы провели много дополнительных экспериментов, подтверждающих, что все дело в влиянии меланина на способность гребня захватывать самок», - сказал Мэсси.«Разгадав загадку желтой мухи, мы смогли показать, как ген, который изменяет пигментацию насекомого, может одновременно иметь решающее значение для его брачного поведения».
Другие недавние исследования также показали важность морфологии частей тела для критического поведения различных организмов: стайность у колюшек, ходьба у водомерок и пение у сверчков.
«Все эти наблюдения подчеркивают, что поведение нельзя понять, изучая только нервную систему; анатомия и поведение функционируют и развиваются как взаимосвязанная система», - писали Мэсси и его коллеги.
Исследование желтой мухи началось, когда в 2016 году Мэсси и выпускница бакалавриата по неврологии Университета штата Массачусетс Дааюн Чанг объединились. Чанг получила награду директора по нейробиологии Университета штата Массачусетс за свой вклад в проект и в настоящее время учится в докторантуре в области нейробиологии в Северо-Западном университете. Мэсси продолжал работать над темой своей докторской диссертации, работая в лаборатории Виткоппа.
Позже он провел два года, работая в лаборатории Дэвида Стерна в Исследовательском кампусе Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза в Вирджинии, где он снимал высокоскоростные видеоролики. Помимо Мэсси, Виткоппа, Чанга и Стерна, еще одним автором статьи для eLife является Игорь Сиванович из Исследовательского кампуса HHMI Janelia, который предоставил свой опыт работы с изображениями, чтобы сделать фотографии половых гребешков.