Эволюция разворачивается в режиме реального времени во многих природных популяциях животных, и исследователи в настоящее время наблюдают, как это влияет на биоразнообразие в полевых условиях. В недавно опубликованном исследовании в журнале «Молекулярная экология» группа ученых из Университета Дрекселя изучила биологические вариации гороховой тли, насекомых, которые размножаются достаточно часто, чтобы эволюционировать на наших глазах, отслеживая преобладание их защитного эндосимбионта, Hamiltonella defensa, который насекомые используют для отпугивать паразитоидных ос.
«Мы знаем, что у некоторых организмов есть много поколений за сезон, и мы знаем, что иногда для развития эволюции требуется всего несколько поколений; и тли - один из таких типов организмов», - объяснил Джейкоб А. Рассел., доктор философии, профессор Колледжа искусств и наук и старший автор исследования.
Как и многие насекомые, тля является хозяином симбиотических бактерий - или эндосимбионтов - в их крови и внутренних тканях. Хотя весь спектр их воздействия еще не изучен, эти бактерии обычно обеспечивают некоторую защиту от давления окружающей среды, например паразитов и паразитоидов - паразитов, которые убивают своих хозяев. Например, Hamiltonella defensa, эндосимбионт, на котором сосредоточено внимание в этом исследовании, отпугивает паразитоидов гороховой тли. Но эти бактерии представляют интерес для исследователей еще и потому, что они передаются по наследству - от самок к потомству.
«По сути, эти бактерии наследуются подобно митохондриальной ДНК, и благодаря этому они могут служить частью адаптивного арсенала гороховой тли, действуя вместе со многими тысячами генов в геноме этого насекомого, питающегося соком», - сказал он. Рассел.
Эндрю Смит, доктор философии, бывший выпускник Дрекселя и нынешний главный научный сотрудник Института Родейла, руководил исследованиями, которые позволили биологам более внимательно изучить природные силы, формирующие распространенность гамильтонеллы. Они надеялись, что с помощью повторяющихся полевых сборов и рутинного молекулярного скрининга они смогут пролить свет на эволюционные силы, воздействующие на тлей в режиме реального времени..
«Мы были мотивированы попытаться понять, почему этот единственный эндосимбионт сохраняется в этих популяциях, почему он никогда не теряется и почему его частота не достигает 100%», - сказал Рассел. «Одна из идей заключается в том, что должно быть время, когда это помогает тле, а есть время, когда оно немного вредно».
В дополнение к сбору тли и скринингу эндосимбионтов полевая группа изучила ряд переменных окружающей среды на тех же полях люцерны, включая распространенность Aphidius ervi, паразитоидной осы, завезенной в Соединенные Штаты для контроля над популяциями гороха. тля, которая когда-то представляла угрозу сельскохозяйственным культурам, в том числе люцерне. Осы убивают тлей, откладывая в них яйца. Интересно, что эндосимбионты Hamiltonella предотвращают развитие молодых ос, но, по словам исследователей, они также имеют свою цену.
«Это «рента», которую тля должна платить эндосимбионту только для того, чтобы поддерживать свою популяцию», - сказал Рассел. «В лаборатории мы изначально думали, что тля с эндосимбионтом будет хуже, чем тля без эндосимбионта, из-за этой концепции «ренты».
Эта концепция о том, что тля с эндосимбионтами Hamiltonella жила хуже, чем тля без них в отсутствие ос, была подтверждена предыдущими лабораторными экспериментами. Но, несмотря на это ожидание, авторы не обнаружили существенной связи между распространенностью ос и эндосимбионтами. Но они видели, как популяции тлей развивались с течением времени, при этом распространенность эндосимбионтов несколько раз быстро менялась. Наиболее явно с этими сдвигами коррелировала температура окружающей тлей среды.
Их результаты показывают, что «стоимость «арендной платы» выше для тлей, укрывающих этих эндосимбионтов, когда прохладно», - сказал Рассел, который считает, что «на самом деле тлям очень полезно иметь этих эндосимбионтов, когда тепло».
Авторы заключают, что динамика эндосимбионта и, следовательно, эволюция гороховой тли в реальном времени, вероятно, являются результатом эволюционного явления, известного как «уравновешивающий отбор», который происходит из-за изменения затрат и выгод от содержания эндосимбионта в разных местах. температуры.
Это сделало бы Hamiltonella другом хорошей погоды, полезным, когда тепло, и вредным, когда нет. Хотя механизм этой сезонности остается неустановленным, их результаты показывают, что температура может служить основным фактором, вызывающим возникновение эндосимбионтов Hamiltonella у тлей.
Это открытие стало возможным только потому, что команда проводила наблюдения в полевых условиях.«Мы, как правило, проводим наши лабораторные эксперименты в этих довольно одномерных лабораторных условиях, а температура поддерживается постоянной, - сказал Рассел, - поэтому эти лабораторные результаты могут быть не полностью переносимыми».
Эта работа представляет собой один из первых примеров исследования сезонной адаптации насекомых, которое стало возможным не благодаря изменчивости генов насекомых, а благодаря изменчивости их эндосимбионтов. Таким образом, он одним из первых показал, что микробы, передающиеся от матери, обнаруженные у большинства видов насекомых, реагируют на маятниковый характер изменения окружающей среды в зависимости от времени года.
Учитывая долгосрочные тенденции глобального климата, также возможно, что эндосимбионты могут определять будущий успех видов насекомых в нашем быстро нагревающемся мире.