Эволюционный успех листоедов связан с переносом генов и симбиозом
Листоеды (семейство Chrysomelidae) — одно из самых успешных семейств растительноядных насекомых, насчитывающее более 50 000 видов. Они питаются почти всеми группами растений, от корней до крон, и являются серьёзными вредителями (например, колорадский жук). Их успех удивителен, так как листья — трудноперевариваемый и несбалансированный источник пищи.
Исследователи из Института химической экологии им. Макса Планка в Йене и Института биологии им. Макса Планка в Тюбингене изучили, как листоеды преодолели пищевые трудности в ходе эволюции.
Роль чужеродного генетического материала
Почти у всех листоедов в геноме присутствует чужеродный генетический материал, отвечающий за производство ферментов для переваривания компонентов клеточной стенки растений, например, пектиназ. Эти ферменты расщепляют пектины — неперевариваемые для человека пищевые волокна.
Около половины видов листоедов живут в тесной ассоциации с симбиотическими бактериями. Эти симбионты поставляют жукам важные пищеварительные ферменты, витамины и незаменимые аминокислоты.
Из предыдущих исследований было известно, что жуки используют как собственные пектиназы (из своего генома), так и кодируемые симбионтами.
Сравнительный анализ 74 видов
Команда провела геномный и транскриптомный анализ 74 видов листоедов со всего мира. Результаты опубликованы в Current Biology.
Анализ показал, что горизонтальный перенос генов (включение чужеродных генов от бактерий в геном) — частое явление у листоедов. И симбиоз, и горизонтальный перенос генов сильно повлияли на эволюцию насекомых.
Динамичная эволюция пектиназ
Большинство видов жуков используют либо собственные пектиназы (приобретённые через горизонтальный перенос генов), либо пектиназы своих бактериальных симбионтов. При этом пектиназы жука и симбионта никогда не встречаются вместе у одного вида.
Эволюция пектиназ динамична и характеризуется чередованием горизонтального переноса генов и приобретения симбионтов. Процесс можно представить так:
- Устанавливается симбиоз.
- Собственная пектиназа жука (от предыдущего переноса генов) заменяется более эффективной пектиназой симбионта.
- Симбионт может также предоставлять другие ферменты или питательные вещества.
- Собственный ген пектиназы у жука становится ненужным и теряется в ходе эволюции.
- В дальнейшем ген пектиназы симбионта может быть перенесён в геном жука, а сам симбионт — утрачен.
Вывод: Повторяющийся горизонтальный перенос генов и установление симбиозов с бактериями позволили листоедам быстро адаптироваться к растительной диете, что способствовало их выдающемуся эволюционному успеху.