В 1960-х годах биолог из Пенсильвании Дэн Джанзен, работая над докторской диссертацией, заново описал то, что стало классическим примером биологического мутуализма: обязательные отношения между муравьями-акациями и деревьями-акациями. Деревья акации создают специальные конструкции для укрытия и кормления муравьиной колонии, а муравьи, в свою очередь, защищают дерево от травоядных.
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, коллеги Янцена из Пенсильванского биологического факультета раскрывают генетический механизм, который программирует растительную сторону отношений между муравьями и акациями. Скотт Поэтиг, биолог растений, и Аарон Лейхти, получивший докторскую степень. работая под руководством Поэтига, а в настоящее время занимающего постдокторскую диссертацию в Калифорнийском университете в Дэвисе, показал, что эти виды акаций развивают признаки, необходимые для кормления муравьиной колонии: полые набухшие шипы для их размещения, а также нектарники и богатые питательными веществами кончики листочков, называемые бельтианскими. тела для их питания - как часть возрастного явления в развитии растений.
«С созданием этих признаков связаны затраты, - говорит Поэтиг, старший автор отчета, - но они нужны растению, иначе оно погибнет. Дэн показал: ни муравьев, ни растений. едят все, от кузнечиков до мышей.
"Таким образом, происходит компромисс. И мы обнаружили, что эти черты, по-видимому, развились на основе существовавшего ранее пути, управляющего переходом в развитии растений."
Лейхти добавляет: «Когда мы изучили литературу, мы обнаружили, что многие стратегии защиты растений зависят от возраста. Это противоречит здравому смыслу, потому что вы думаете, что молодые растения сразу же захотят начать создавать эти структуры, чтобы их не съели, но наши выводы, а также глубокая логика предполагают, что существуют биологические ограничения для их создания».
Поэтиг провел большую часть своей карьеры, изучая этот переход, который некоторые называют «юношеским периодом» растения. Но он не рассматривал это в контексте отношений между муравьем и акацией, пока его сын не прошел курс Янзена «Человек и окружающая среда» в Пенсильвании и не узнал о хрестоматийном примере мутуализма.
"Я подумал: было бы интересно, если бы этот набор признаков контролировался путем развития, который я изучаю последние 30 лет?" - вспоминает он.
Одна из подсказок предполагала, что это возможно: в полевых наблюдениях Янзена он заметил, что растения не сразу формируют эти черты, предполагая, что им, возможно, нужно достичь более зрелой стадии, чтобы сделать это.
Чтобы получить в свои руки несколько семян, чтобы начать исследовать этот вопрос с помощью молекулярных инструментов, Поэтиг попросил Янцена достать их, но также сделал то, что сделал бы любой биолог 21-го века: он посмотрел в Интернете.
«Я попал на сайт Etsy под названием Mr. Nature, где продаются семена Vachellia cornigera, вида акации, произрастающей в Мексике и Центральной Америке, - говорит Поэтиг.
Доставка прибыла через несколько недель не только с семенами, но и со стручком акации и несколькими шипами «и с маленькой табличкой, которая гласила: «Ой! Очень остро!»», - говорит Поэтиг. Эти части растения позволили Янзену позже подтвердить идентификацию вида из сомнительного источника.
Другие семена Поэтиг собрал у продавца в Белизе и, наконец, у самого Янзена.
«Когда я пришел забрать семена у Дэна, там была его жена-биолог Винни и сказала: «Дэн, может, тебе стоит сказать Скотту, где ты взял семена», - вспоминает Поэтиг. Далее Янцен объяснил, что видел обезьяну, поедающую стручки акации во дворе их дома в Коста-Рике. Затем Янзен собрал семена из экскрементов обезьяны, которые он уронил, когда ел еще. В следующем месяце он обнаружил, что на дереве нет обычной колонии муравьев, так что обезьяне было легко добывать пищу.
Имея в руках семена, Лейхти начал разрабатывать стратегии их выращивания и изучения в лаборатории. Как только он добился надежного роста растений, он наблюдал то, что Янзен видел в дикой природе полвека назад..
«Конечно, черты проявляются, но не сразу», - говорит Лейхти.
Глядя на три разные акации, которые у них были под рукой - Vachellia collinisii из Белиза, V. collinsii из Коста-Рики и V. cornigera из Флориды - Лейхти и Поэтиг обнаружили, что, хотя точное время различалось в зависимости от вида, первыми появились внефлорные нектарники растений, которые производят все виды акаций. Затем развились опухшие шипы, а бельтовы тела появились последними.
Затем исследователи обратили внимание на возможные программы для этих признаков. Они получили первую последовательность генома вида Vachellia и специально изучили определенные микроРНК - короткие некодирующие участки генома - miR156 и miR157, которые, как они ранее обнаружили, связаны с контролем времени развития признаков у других видов растений..
По мере того, как у акации начали появляться опухшие шипы и другие признаки, привлекающие муравьев, уровни miR156 и miR157 снизились, а уровни различных белковых транскрипционных факторов, подавляемых этими микроРНК, увеличились.
В качестве следующего шага в своем исследовании Поэтиг и Лейхти рассмотрели еще одно наблюдение, сделанное Янзеном в полевых условиях; деревья акации, растущие в тени, развивали эти специализированные признаки медленнее. В лаборатории они снова обнаружили связь с miR156 и miR157. Растения, выращенные в условиях низкой освещенности, имели гораздо более высокие уровни микроРНК и более позднее появление признаков набухших шипов по сравнению с их аналогами, выращенными при полном освещении.
«Эксперименты с тенями привели к задержке всего этого пути, - говорит Лейхти, - и предложили простой способ экспериментально изменить время появления этих признаков, а также контролировать возраст наших образцов».
Чтобы понять, как регуляция этих признаков могла возникнуть эволюционно, исследователи изучили другие виды акаций, которые не образуют бельтовы тела или набухшие шипы, но производят нектарники на своих листьях. У этих видов, как и у муравьиных акаций, снижение miR156 совпало с появлением нектарников. Сходство между акациями в этом отношении предполагает, что существующий путь был использован для регуляции других признаков, необходимых здоровому телохранителю, - набухших шипов и хорошей еды, - говорят исследователи.
Для Янзена эта находка подтверждает его полевые открытия, обосновывая необходимость совмещения полевых и лабораторных исследований.
«Глядя со стороны, как это обычно делают экологи», - говорит он, - из своих наблюдений, проведенных в 1960-х годах в Веракрусе, Мексика, он понял, что самые молодые растения муравьиной акации «включают свою защиту от травоядных» только когда они, казалось, собрали достаточно ресурсов.
"Скотт и Аарон наблюдали за одним и тем же событием изнутри, за всей этой ДНК, которую я не вижу", - добавляет Янцен. «Я должен поверить им на слово в его существовании. Они должны поверить мне на слово в отношении колонии травоядных и защитных муравьев. В этом разница между биологами всего организма и молекулярными биологами.."
Скотт Поэтиг - профессор Джона Х. и Маргарет Б. Фасситт на факультете биологии Школы искусств и наук Пенсильванского университета.
Аарон Лейхти - научный сотрудник Калифорнийского университета в Дэвисе. Он защитил докторскую диссертацию. в лаборатории Poethig в Пенсильванском университете.
Дэн Янзен - профессор биологии сохранения и временный председатель Томаса Г. и Луизы Э. ДиМаура на факультете биологии Школы искусств и наук.