Колорадский жук - печально известный вредитель и своего рода неудержимый гений.
Современная эра пестицидов началась в 1860-х годах, когда фермеры Среднего Запада начали убивать этих жуков, опрыскивая их краской Paris Green, которая содержала арсенат меди. Жуки вскоре преодолели этот яд, а также арсенат свинца, ртутный ДДТ, дильдрин и более пятидесяти других пестицидов. Сначала с любым новым химическим веществом погибает много жуков, но ни один из них не живет долго. Жуки вырабатывают устойчивость, обычно в течение нескольких лет, и продолжают весело прогрызать себе путь через огромные гектары картофеля на фермах и в садах по всему миру.
Ученые плохо понимают, как это существо проворачивает этот трюк. Текущая эволюционная теория, сосредоточенная на ДНК, не может объяснить быстрое развитие устойчивости к пестицидам. В то время как жук демонстрирует множество генетических вариаций, новые мутации ДНК, вероятно, не проявляются достаточно часто, чтобы позволить им развить устойчивость к такому количеству видов пестицидов так быстро - снова и снова.
Но теперь первое в своем роде исследование значительно приблизилось к объяснению.
Группа исследователей под руководством профессора Иоланды Чен из Университета Вермонта показала, что даже небольшие дозы неоникотиноида имидаклоприда могут изменить то, как жук управляет своей ДНК. Новое исследование предполагает, что для защиты от пестицидов жуку, возможно, не нужно менять свой основной генетический код. Вместо этого команда обнаружила, что жуки реагируют, изменяя регуляцию своей ДНК, включая или выключая определенные гены в процессе, называемом «метилирование ДНК». Эти так называемые эпигенетические изменения позволяют жукам быстро наращивать механизмы биологической защиты, возможно, задействуя уже существующие гены, которые позволяют жуку переносить широкий спектр токсинов, обнаруженных в растениях картофеля.
Приток ферментов или более высокая скорость экскреции могут позволить насекомому блокировать каждый новый пестицид с помощью тех же древних биохимических инструментов, которые они используют для преодоления естественной защиты растений, вместо того, чтобы полагаться на тяжеловесный эволюционный процесс случайных мутаций, появляющихся в ключевые гены, которые медленно снижают эффективность пестицида.
Самое главное, новое исследование показывает, что эти изменения, вызванные даже небольшими дозами пестицида, могут передаваться потомкам, по крайней мере, через два поколения. «Мы обнаружили те же паттерны метилирования ДНК в поколении внуков. Это было удивительно, потому что они не подвергались воздействию инсектицида», - говорит Чен.
У некоторых других видов насекомых воздействие пестицидов приводит к изменению метилирования ДНК. Было замечено, что некоторые эпигенетические изменения передаются будущим поколениям видов, размножающихся бесполым путем, таких как крошечные ракообразные Daphnia magna. «Но долгое время считалось, что эпигенетика перезагружается во время полового размножения», - говорит Кристиан Бревик, ведущий автор нового исследования, защитивший докторскую диссертацию в лаборатории Чена. «То, что эти изменения могут быть переданы через несколько циклов полового размножения будущим поколениям насекомых - это ново».
Исследование было опубликовано в декабрьском выпуске журнала Evolutionary Applications.
С БЕГОВОЙ ДОРОЖКИ?
За последние полвека сельскохозяйственные исследователи и химические компании потратили миллионы на разработку инновационных химических соединений, чтобы попытаться убить этого жука, который наносит ущерб на сотни миллионов долларов, и почти все в конечном итоге терпят неудачу.«Возможно, пришло время сойти с пестицидной беговой дорожки, пытаясь ввести все более токсичные химические вещества, и признать, что эволюция происходит независимо от того, что мы в нее бросаем», - говорит Иоланда Чен. «Мы могли бы быть более стратегическими в понимании того, как работают эволюционные процессы, и инвестировать в более экологические подходы, которые позволили бы сельскому хозяйству быть более устойчивым».
РЕВОЛЮЦИЯ В ЭВОЛЮЦИИ
Эпигенетика становится все более популярной областью. По сути, это исследование того, как экологические стрессы - от голода до загрязнения воздуха и пестицидов - могут добавлять или удалять химические метки в ДНК организма, переключая генетический переключатель, который меняет его здоровье и поведение.
Метилирование ДНК впервые было показано при раке человека в 1983 году, а с начала 2000-х годов эпигенетическая революция в биологии начала показывать, как изменение окружающей среды может включать или выключать определенные гены, приводя к глубоким изменениям в организме без изменения его ДНК. И хорошо известно, что у многих насекомых в сельскохозяйственных районах развивается устойчивость к пестицидам; это не только колорадские жуки. Более шестисот видов выработали устойчивость к более чем трем сотням пестицидов, о чем поступают десятки тысяч сообщений со всего мира. Растущее количество исследований показывает, что многие из них связаны с эпигенетическими механизмами.
В своем эксперименте ученые UVM вместе с коллегой из Университета Висконсина собрали взрослых жуков на органических фермах в Вермонте. Они разделили потомство, обрабатывая их разными дозами пестицида имидаклоприда - одних высокими, других низкими, некоторых менее токсичным химическим веществом, подобным имидаклоприду, а некоторых - просто водой. Через два поколения жуки, чьи бабушки и дедушки были обработаны любым количеством пестицидов, показали снижение общего метилирования, в то время как у жуков, подвергшихся воздействию воды, этого не произошло. Многие сайты, где ученые обнаружили изменения в метилировании, связаны с генами, связанными с устойчивостью к пестицидам. Параллельный ответ на все виды обработки пестицидами предполагает, что «простое воздействие инсектицидов может иметь долгосрочные последствия для эпигенетики жуков», - говорит Чен.
Одно дело предположить, что стресс изменяет конкретный организм, и совсем другое предположить, что физические характеристики, которые он приобретает в результате стресса или поведения, могут передаваться из поколения в поколение. Кузнец, ставший сильным в результате тяжелой работы, не должен ожидать, что его дети тоже будут необычайно сильными. Так почему же стресс приводит к устойчивым изменениям?
Основы эпигенетики по-прежнему вызывают споры, отчасти потому, что они были связаны с в значительной степени дискредитированными теориями «наследования приобретенных признаков» - древней идеей, восходящей к Аристотелю и наиболее тесно связанной с Жаном-Батистом Ламарком., французский натуралист девятнадцатого века, который предположил, что организмы передают свойства, которые использовались или не использовались, их потомству.
Хотя идеи Ламарка ранее были дискредитированы биологами-эволюционистами, эпигенетическая революция ясно показывает, что эволюция посредством естественного отбора не должна просто полагаться на случайные выгодные мутации, появляющиеся в генетическом коде. В случае с колорадскими жуками, изучаемыми в UVM, исследования показывают, что пестициды могут переключать целый ряд эпигенетических переключателей, некоторые из которых могут усиливать выработку существующей защиты от токсинов, в то время как изменения в метилировании ДНК могут высвобождать участки ДНК. называются транспонируемыми элементами. «Эти элементы также называют «прыгающими генами», и они наиболее тесно связаны с вирусами», - говорит Чен, профессор кафедры растениеводства и почвоведения UVM и научный сотрудник Института окружающей среды Гунда. «Из-за их вредного воздействия на геномы хозяина они обычно подавляются метилированием ДНК». Но новое исследование предполагает, что воздействие пестицидов может дать им волю, что приведет к возникновению большего количества мутаций, связанных с устойчивостью к пестицидам.
Короче говоря, динамическое взаимодействие между эпигенетикой и генетикой указывает на объяснение в значительной степени необъяснимой реальности быстрой эволюции и устойчивости к пестицидам. Как эти изменения передаются через несколько поколений половых рекомбинаций, остается загадкой, но новое исследование убедительно свидетельствует о том, что это так. «Нам еще многое предстоит узнать, - говорит Чен, - о том, как люди могут лучше управлять эволюцией».