Исследование: новый сельскохозяйственный вредитель возник из-за быстрой генетической перестройки у одного поколения мух

Новое исследование с участием энтомолога из Университета штата Канзас показывает, что генетические изменения у плодовой мухи, которая более 150 лет вредит американским производителям яблок, являются результатом чрезвычайно быстрой эволюции.

Учёные изучили процессы, ведущие к появлению нового вида, который может угрожать существующим экономически важным культурам. Считается, что сильные изменения окружающей среды, например, резкая смена сезонной погоды, могут быстро «подтолкнуть» разные участки генома организма к изменениям.

В центре внимания был вид плодовой мухи Rhagoletis pomonella (яблонная пестрокрылка). Исторически муха откладывала яйца в плоды боярышника, который не имеет большого экономического значения. В 1850-х годах небольшая группа этих мух начала откладывать яйца в яблоки.

«В какой-то момент мухи переключились на яблоки, причём взрослые особи эволюционировали, чтобы откладывать яйца в этот плод, а личинки — чтобы потреблять его. Для этого участки генома должны были измениться от одного поколения к другому. Результатом стало появление нового сельскохозяйственного вредителя», — пояснил соавтор исследования Грег Рагланд.

Яблоки созревают раньше, чем плоды боярышника. Из-за этого разного окна созревания группе мух пришлось начинать свой жизненный цикл раньше, чтобы синхронизироваться с новым плодом-хозяином.

Сезонные различия привели к формированию двух групп мух: одна синхронизирована с боярышником, как и предки, а другая — с яблоками. По мере накопления поведенческих и физических различий учёные полагают, что наблюдают формирование нового вида.

Исследователи обнаружили процесс быстрой адаптации, изучив эволюционные различия в геномах обеих групп мух. Они собрали мух, откладывающих яйца в боярышник, и вырастили одну группу в сезонных условиях, типичных для боярышника, а другую — для популяций, заражённых яблоками. Эксперимент показал, что можно воспроизвести сдвиг с боярышника на яблоки, впервые наблюдавшийся в 1850-х годах, хотя все мухи в эксперименте изначально откладывали яйца в боярышник.

«Наши результаты показывают, что всего несколько поколений естественного отбора могли сформировать популяции "яблочных" мух, которые физически и генетически похожи на те, что мы видим сегодня», — отметил соавтор Скотт Иган.

Команда секвенировала геномы мух из боярышника и яблок, а затем — мух, выращенных в краткосрочных экспериментальных условиях. Они обнаружили выраженные различия по всему геному между условиями. Эти генетические изменения в краткосрочном эксперименте почти полностью совпали с изменениями между природными группами из боярышника и яблок.

«Это говорит о том, что многие участки генома могут эволюционировать всего за несколько поколений. Геномные изменения, которые мы наблюдаем, с большой вероятностью являются результатом различий в окружающей среде, которые ведут к образованию новых видов», — сказал соавтор Джефф Федер.

Исследование проливает новый свет на то, как сезонность влияет на эволюцию. Лучшее понимание этих эволюционных сдвигов может помочь учёным точнее прогнозировать, когда они могут произойти и какие новые сельскохозяйственные вредители могут появиться.

«Один из главных выводов — виды не статичны; они изменчивы в зависимости от окружающей среды. С эволюционной точки зрения, изменение среды может привести к очень выраженным геномным различиям за очень короткие промежутки времени», — заключил Рагланд.

Исследование «Экспериментальные доказательства общегеномного воздействия экологического отбора на ранних стадиях видообразования с потоком генов» будет опубликовано в журнале Ecology Letters.