Монархи и их хищники эволюционировали одинаковыми мутациями для устойчивости к токсинам молочая
Монархи и их близкие родственники процветают на ядовитом молочае благодаря генетическим мутациям, которые блокируют действие токсинов растения, позволяя ядам накапливаться в теле гусениц или взрослых насекомых для защиты от хищников.
Оказалось, что некоторые из этих насекомоядных хищников эволюционировали схожими мутациями, чтобы питаться монархами.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Current Biology, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и UC Riverside сообщают о монархоподобных генетических мутациях в геномах четырёх организмов, которые питаются монархами:
- Черноголовый дубонос — перелётная птица, которая поедает бабочек в местах их зимовки в Мексике.
- Восточный олений хомячок — близкий родственник мексиканского черноухого оленьего хомячка, который питается упавшими на землю бабочками.
- Крошечная оса, паразитирующая на яйцах монарха.
- Нематода, паразитирующая на личинках насекомых, питающихся молочаем.
Все четыре организма развили мутации в одной или нескольких копиях гена натрий-калиевого насоса — те же самые мутации, что и у бабочек-монархов. Два года назад исследователи и их коллеги показали, что эти мутации критически важны для способности монарха питаться молочаем, не погибая от его токсинов.
Токсины молочая — это кардиальные гликозиды, которые нарушают работу этого насоса, обеспечивающего сердцебиение и нервные импульсы. У людей этот насос настолько важен, что мы тратим треть всей энергии, получаемой из пищи, на его работу. Неудивительно, что когда токсины выводят насос из строя, останавливаются сердце и другие органы.
«Токсины поднимаются по пищевой цепи от растений (первый трофический уровень) к насекомым-фитофагам (второй), а затем к хищникам и паразитоидам (третий уровень), — сказал эволюционный биолог Ноа Уайтмен. — В ответ хищники и паразитоиды развили устойчивость к токсинам в тех же сайтах, которые мы обнаружили у монарха, а иногда и в тех же аминокислотах».
«Замечательно, что конвергентная эволюция произошла на молекулярном уровне у всех этих животных», — добавил соавтор Саймон «Нилс» Грун.
Мутации у хищников
Когда в прошлом году был опубликован геном черноголового дубоноса, исследователи сразу нашли в его гене натриевого насоса мутации, почти идентичные мутациям монарха. Последующий анализ геномов других поедателей монархов выявил схожие мутации.
- Черноголовый дубонос имеет однонуклеотидные мутации в двух из трёх ключевых мест гена, где мутации есть у монархов. Ни у одной из 150 других секвенированных птиц из группы воробьиных нет таких мутаций в обеих наиболее экспрессируемых копиях гена натриевого насоса.
- Оса (Trichogramma pretiosum) также имеет две мутации в том же месте гена, что и монарх.
- Нематода (Steinernema carpocapsae) имеет изменения во всех трёх ключевых местах гена, включая то, которое обеспечивает наибольшую устойчивость.
- Восточный олений хомячок, как и другие грызуны, уже был известен наличием всех трёх мутаций в своих наиболее экспрессируемых копиях гена.
Это объясняет, как дубонос может переносить токсины монарха, в то время как другой зимующий хищник — черноспинный трупиал — осторожно удаляет наиболее токсичные части (крылья и кутикулу) перед едой.
«Это решает загадку 40-летней давности, — сказал Уайтмен. — Поразительно, что они развивают устойчивость, используя тот же механизм в тех же местах генетического кода, что и монархи, тли, клопы и жуки, питающиеся молочаем».
Исследователи полагают, что в пищевой цепи, начинающейся с молочая, будут обнаружены и другие организмы с подобными мутациями, нацеленными на этот конкретный насос.