Между ночью и днём: исследование раскрывает генетическую основу циркадной пластичности мух
Большинство растений и животных подвержены значительным колебаниям окружающей среды. Исследование, опубликованное в журнале Nature и проведённое группой профессора Ричарда Бентона из Центра интегративной геномики Университета Лозанны, изучает способность дрозофил адаптироваться к изменениям длины светового дня.
Виды с широким географическим распространением, такие как человек, сталкиваются с множеством вариаций среды, с которыми они справляются благодаря гибкости, или «пластичности», своего поведения. Эта способность адаптироваться к окружающему миру критически важна для их выживания.
Однако молекулярные механизмы, лежащие в её основе, остаются малоизученными. Поэтому важно расшифровать, как поведенческая пластичность регулируется генами и нервной системой, чтобы понять, как широко распространённые виды эволюционировали для преодоления изменений среды и как они будут адаптироваться к меняющемуся климату.
В центре циркадного цикла
Длина светового дня — фактор, который колеблется в зависимости от сезона и широты. Многие виды, например некоторые мухи, корректируют свой циркадный ритм (ежедневный цикл активности), чтобы адаптироваться к этим вариациям.
В исследовании Майкл Шахандех, бывший постдок в группе профессора Ричарда Бентона, сравнил два вида дрозофил, чтобы изучить различия в поведенческой гибкости.
Drosophila melanogaster (винная мушка) распространена по всему миру, поэтому испытывает значительные изменения длины дня и демонстрирует высокую циркадную пластичность. В отличие от неё, Drosophila sechellia, эндемик Сейшельских островов (регион близ экватора), испытывает гораздо меньшие колебания длины дня и проявляет меньшую пластичность.
Для сравнения циркадной пластичности этих видов учёные подвергли их навязанному циклу длинного дня: 16 часов света. Это ограничение имело вредные последствия для приспособленности (способности выживать и размножаться) D. sechellia, привыкшей к постоянной длине дня в 12 часов.
«Этот вид утратил способность откладывать пик вечерней активности в случае более длинного фотопериода; в результате длинные дни являются для него стрессом, и его репродуктивная скорость сократилась вдвое, тогда как D. melanogaster осталась совершенно фертильной», — комментирует Бентон.
Определение критических генетических элементов
С помощью генетического скрининга биологи затем обнаружили ключевую роль гена Pdf (Pigment-dispersing factor) в этом расхождении между видами.
«Этот ген отвечает за экспрессию нейропептида Pdf, который критически важен для циркадной активности. Как и ожидалось, замена гена D. melanogaster на ген D. sechellia снизила способность D. melanogaster откладывать пик активности в условиях длинного дня», — сообщает профессор из Лозанны.
«D. melanogaster для нас как "генетическая пробирка". Этот эксперимент показал, что различия между генами Pdf у D. sechellia и D. melanogaster вносят вклад в поведенческие различия между этими двумя видами».
Особенности гена Pdf у D. melanogaster частично объясняют, почему этот вид широко распространился по всему миру, тогда как D. sechellia специализировалась в одной нише.
Изучение других форм поведенческой пластичности
Бентон также упоминает предыдущие исследования, предполагающие важность нейропептида Pdf у видов дрозофил, обитающих на более высоких широтах и проявляющих ещё большую гибкость циркадной активности, чем D. melanogaster.
«Эти наблюдения позволяют предположить, что этот нейропептид является ключевым эволюционным фактором в развитии циркадной пластичности у дрозофил. Учитывая, что Pdf присутствует и у многих других членистоногих, например комаров, широко распространённых по всему миру, он может играть аналогичную роль и у них.
Более широко, наша работа может вдохновить на изучение других форм поведенческой пластичности, затрагивающих иные клеточные и молекулярные механизмы у разных видов животных. Например, певчие птицы меняют частоту вокализации в ответ на шум от человеческой деятельности, а ящерицы меняют поведение покоя в ответ на высоту, но мы ничего не знаем о механизмах, лежащих в основе этих явлений».