Генетическая адаптация к изменению климата у вредителей урожая происходит быстро

Плодовые мушки обладают удивительной способностью просыпаться после многомесячной спячки именно тогда, когда их пища (например, плоды яблони или боярышника) достигает пика зрелости. Они активны пару недель, питаются и спариваются, а затем снова впадают в спячку. Как происходит эта синхронизация, долгое время оставалось загадкой.

Новое исследование показало, что многие гены ответственны за установку внутренних часов мушек, а ключом к их быстрой генетической адаптации является незаметное медленное развитие во время диапаузы (спячки). Исследование опубликовано в журнале PNAS.

Внутренние сезонные таймеры

Как и некоторые млекопитающие, плодовые мушки приурочивают спячку к сезонной доступности пищи. Они эволюционируют достаточно быстро, чтобы, например, сократить диапаузу и использовать более длинные вегетационные сезоны. Хотя некоторые виды полагаются на изменение длины дня (фотопериодизм), у других, по-видимому, есть внутренний механизм.

«Помимо 24-часовых циркадных ритмов, у многих плодовых мушек есть внутренний сезонный таймер», — говорит соавтор исследования Грегори Рагланд, доцент интегративной биологии в Университете Колорадо в Денвере.

Отслеживание скорости развития

Команда исследователей проверила гипотезу о том, что различия в скорости развития во время диапаузы определяют различия во времени сезонной активности. Для этого они собрали две популяции мух Rhagoletis pomonella: одна питается плодами боярышника (аборигенного для Северной Америки), а другая эволюционировала, чтобы питаться яблоками, завезёнными колонистами около 400 лет назад.

«Это та самая "плодожорка" в яблоке, которая превратилась в серьёзного вредителя, скорректировав своё время появления под более раннее плодоношение яблони», — отмечает Рагланд.

Учёные моделировали зимовку мух в лаборатории, периодически тестируя их транскриптом — набор молекул РНК, определяющих признаки. Анализ транскриптома мозга показал, что, несмотря на внешнюю приостановку развития, в нервной системе происходят тонкие, но устойчивые изменения, которые накапливаются за шесть месяцев и в итоге сигнализируют о выходе из диапаузы.

Полигенные признаки — ключ к быстрой эволюции

Этот механизм, по-видимому, и позволяет мушкам устанавливать сезонный таймер. Он же является ключевым для быстрой эволюции сезонности: у «яблочных» мушек скорость развития во время диапаузы немного выше, что заставляет их появляться раньше в году.

Сравнение генетических вариантов двух популяций показало, что быстрая адаптация обусловлена полигенными признаками: множество генов, каждый с очень небольшим эффектом, совместно определяют скорость развития. Это означает, что вредители урожая и насекомые-переносчики болезней со схожей биологией могут быстро реагировать на изменение климата по сходному генетическому механизму.

Понимание механики диапаузы также может оказать большое влияние на биомедицинские исследования, которые зависят от огромных генетических коллекций мух Drosophila, хранящихся в лабораториях по всему миру.

«Если бы мы могли модифицировать эти линии для входа в диапаузу, это стало бы огромным прорывом для их сохранения», — говорит Рагланд.