Выражение «ты то, что ты ешь» приобрело новый смысл. В ходе эксперимента на плодовых мушках, или Drosophila melanogaster, исследователи из Пенсильванского университета обнаружили, что добавление различных видов микробов в пищу мух приводит к генетической дивергенции популяций, вызывая значительные геномные изменения всего за пять поколений.
«Наша работа наводит на мысль о том, что состав микробного сообщества определяет, по крайней мере частично, эволюцию организмов, в которых они живут», - говорит Пол Шмидт, биолог из Пенсильвании и старший автор работы, которая появляется в журнале ПНАС. «Тот факт, что мы можем наблюдать этот эффект в экспериментах, проведенных в течение такого короткого промежутка времени, говорит о том, что масштабы приспособленности микробов невероятны».
В отличие от лабораторного эксперимента, в котором контролируются все возможные аспекты окружающей среды, от генетики самих мух до температуры и диеты, чтобы увеличить различия между методами лечения, этот набор экспериментов был проведен на открытом воздухе, в Pennovation. Работает в кампусе Пенна. Обстановка более точно отражает природу, подверженную погоде, сезонным изменениям, даже странным паукам или соринкам, проникающим в вольеры.
Тот факт, что, несмотря на потенциальное влияние этих внешних факторов, исследователи все же обнаружили, что сдвиги микробиома оказывают значительное влияние на геномы популяций мух, делает открытие еще более убедительным, говорит Шмидт.
«Я думаю, будет справедливо сказать, что мы сохранили как можно больше экологического реализма за счет обнаружения больших эффектов», - говорит он. «Мы просто изменили относительное количество этих микробов в рационе мух, и этого было достаточно, чтобы увидеть эффект».
Шмидт и научный сотрудник Сет Рудман, ведущий автор статьи, воспользовались тем фактом, что мухи имеют относительно простые сообщества микробиомов по сравнению с другими организмами, такими как люди.
«Если вы проведете исследование микробиома млекопитающих, то обнаружите, что многие бактерии, обнаруженные в кишечнике, неизвестны», - говорит Рудман. «Но это не относится к мухам. Просто так получилось, что в микробиомном сообществе дрозофилы всего около 100 видов».
Другие преимущества плодовых мушек для этого типа исследований включают их короткое время генерации - можно изучить несколько поколений в течение нескольких месяцев - и тот факт, что их можно выращивать до чрезвычайно больших размеров популяции. В данном случае это означало сотни тысяч мух в каждом эксперименте.
Исходя из более ранней работы, ученые подозревали, что микробиом связан с изменениями в приспособленности мух. Мухи из более северных широт, как правило, имеют больше бактерий Lactobacillus как часть своего микробиома, а также живут дольше, имеют меньше яиц и более устойчивы к стрессу. С другой стороны, более южные популяции, в которых, как правило, больше бактерий Acetobacter, имели более короткую продолжительность жизни, больше яиц и были менее устойчивы к стрессу. Работа в лаборатории показала, что воздействие этих двух типов бактерий на мух вызывает одни и те же черты.
Но могут ли микробы управлять эволюцией целых популяций мух? Чтобы проверить это, Шмидт, Рудман и их коллеги разработали экспериментальную установку для манипулирования микробиомами мух. Они внедрили по тысяче мух в каждый из нескольких уличных сетчатых вольеров объемом 2 кубических метра, украшенных почвопокровными растениями и персиковым деревом. Они разнообразили корм в некоторых вольерах, добавляя в него либо Acetobacter, либо Lactobacillus.
Исследователи подтвердили, что кормление немного изменило микробиомы мух. Однако этого было достаточно, чтобы повлиять на их гены. Сравнив геномы мух в начале исследования с выводом, после пяти поколений команда смогла выделить отчетливые изменения в частоте определенных аллелей - одного варианта гена - которые согласовывались с тем, что наблюдалось в естественных условиях. популяции мух.
«Мы обнаружили, что аллель, которая была более распространена в клетках с раствором Lactobacillus, была также аллелью, которая более распространена на севере, где сама Lactobacillus более распространена», - говорит Рудман. «И аллель, которая была более распространена в клетках Acetobacter, была также аллелью, которая более распространена на юге, где Acetobacter более распространен».
Для исследователей это открытие убедительно показало значимость влияния микробов.
«Суть в том, что микробы способствуют быстрой адаптации», - говорит Шмидт.
Переносится ли этот эффект на людей и других животных, это вопрос для дальнейшего изучения, говорят авторы, но многочисленные исследования подчеркивают мощный эффект микробиома.
В будущей работе исследователи изменят сценарий, проверяя, влияют ли изменения в генетических профилях мух на то, какие микробы могут закрепиться в их микробиомах. И они также будут более глубоко исследовать, чтобы точно определить, как изменяющийся микробиом влияет на своего хозяина.