Любопытные бабочки генетически отличаются от оседлых
Понимание механизмов, лежащих в основе изменений жизненных стратегий, важно для изучения адаптации путем естественного отбора. Международная команда ученых из Финляндии и США обнаружила, что потомки «исследовательских» бабочек, колонизировавших новые места обитания, генетически отличаются от своих сородичей, предпочитающих оставаться на месте.
Исследование, поддержанное Европейским исследовательским советом (ERC) и опубликованное в журнале Molecular Ecology, провели профессор Илкка Хански из Университета Хельсинки, профессор Джеймс Марден и доктор Кристофер Уит из Университета Пенсильвании (Penn State).
Ученые выявили генетические основы для более быстрого созревания яиц, лучшей способности к полету и повышенного энергетического метаболизма у потомков «исследовательских» бабочек. Эти признаки дали им преимущество. Результаты могут помочь понять, как естественный отбор действует у видов, занимающих пространственно разделенные участки среды обитания.
Профессор Хански исследовал бабочек-шашечниц Гланувилля с Аландских островов Финляндии, используя новую технологию секвенирования генов для характеристики тысяч генов, кодирующих белки. Его многолетняя работа с этими бабочками принесла ему в этом году премию Крафорда, которую эксперты считают эквивалентом Нобелевской премии в области экологии.
«Проект по шашечнице Гланувилля в Финляндии был начат в 1991 году и сыграл важную роль в развитии метапопуляционной биологии, — комментирует профессор Хански. — Бабочка обитает в большой сети из 4000 небольших лугов. Крупных популяций нет, и выживание на уровне ландшафта основано на балансе между случайными локальными вымираниями и повторным заселением в настоящее время незанятых лугов. Серия исследований показала, что самки, основывающие новые локальные популяции, более склонны к расселению, чем средняя самка в метапопуляции, и между бабочками в новых и старых популяциях есть и другие различия в жизненной стратегии».
«Мы хотели лучше понять гены и физиологию, определяющие оседлые черты "домоседов" в противовес исследовательским чертам "первопроходцев", — добавляет профессор Марден. — Эволюционных биологов fascinруют вопросы "затраты-выгоды", такие как то, как естественный отбор создает и поддерживает как "домоседов", так и "первопроходцев" внутри одного вида».
Дилемма «остаться или отправиться в путь» играет ключевую роль в экологии, поскольку изменения среды обитания, случайные события и болезни вызывают локальное вымирание мелких популяций на отдельных участках.
«Выживание вида в региональном масштабе требует, чтобы скорость образования новых популяций была как минимум не ниже скорости вымирания локальных популяций, — говорит профессор Марден. — Расселение отдельных самок определяет скорость образования новых популяций, наряду с количеством участков и расстояниями между ними».
Лаборатории Мардена и Хански измерили и сравнили вариацию уровней экспрессии генов у самок из устоявшихся популяций (старых, существующих не менее пяти лет) и новых локальных популяций, основанных «исследовательскими» бабочками.
Было обнаружено значительное различие между бабочками из старых и новых популяций в том, как у них экспрессируются определенные гены, контролирующие время и высвобождение запасных белков для производства яиц, а также поддержание белков летательных мышц. Команда также обнаружила различия в скорости метаболизма полета (показателе работы мышц и способности к полету).
Ключевую роль в способности к полету сыграл вариант гена фосфоглюкозоизомеразы (Pgi). Также выяснилось, что у самок из новых популяций отсутствует небольшая часть гена сукцинатдегидрогеназы (Sdhd).
«Вариант гена Pgi, по-видимому, связан со "спринтерскими" качествами, а вариант гена Sdhd — с "выносливостью", — говорит профессор Марден. — Легко понять, почему эти признаки и связанные с ними гены встречаются с большей частотой в новых популяциях. Лучшая способность к полету позволяет некоторым бабочкам достигать и заселять новые участки среды обитания».
«Новое исследование демонстрирует значительные различия в экспрессии генов между новыми и старыми популяциями, — резюмирует профессор Хански. — Многие из этих генов имеют функции, связанные с физиологическими признаками и признаками жизненной стратегии, которые, как было показано, различаются между типами популяций. Это позволяет выдвигать гипотезы о генетической основе вариации жизненных стратегий среди популяций. Моя группа в Хельсинки в настоящее время секвенирует полный геном шашечницы Гланувилля, и мы разрабатываем ассоциативный и сцепленный анализ с очень обширным материалом по фенотипической изменчивости во всей изучаемой системе».