Эволюция дрозофил основана на вариациях мужских половых феромонов

Исследователи из Института химической экологии Общества Макса Планка, проанализировав геномы 99 видов дрозофил и оценив их химические запаховые профили и половое поведение, показали, что половые феромоны и соответствующие им обонятельные каналы в мозге насекомых эволюционируют быстро и независимо. Самки способны распознавать самцов своего вида по их специфическим запаховым профилям. Интересно, что близкородственные виды демонстрируют чёткие различия в этих профилях, что помогает предотвращать спаривание между разными видами. Самцы, в свою очередь, химически метят самок во время спаривания, делая их менее привлекательными для других самцов. Результаты исследования — ценная основа для понимания того, как производство феромонов, их восприятие и обработка в мозге и, в конечном счёте, результирующее поведение движут эволюцией новых видов.

Большое семейство с экстравагантными родственниками

Как и у большинства животных, выбор партнёра у дрозофил в первую очередь основан на химических сигналах. Род Drosophila идеально подходит для изучения эволюции и разнообразия половых феромонов по нескольким причинам. Более 1500 известных видов дрозофил обитают по всему миру в самых разных средах: в пустынях, тропических лесах, пещерах, болотах или горах. Часто их основной пищей служат гниющие фрукты и ответственные за брожение дрожжи. Некоторые виды также питаются свежими фруктами, грибами, древесной корой, цветами, бактериальной слизью или лягушачьей икрой. У многих видов, особенно у модельного организма Drosophila melanogaster, обработка обонятельной информации в мозге уже хорошо описана. Рецепторы половых феромонов точно настроены на обнаружение запаха партнёра своего вида.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные под руководством Мохаммеда Халлафа и Маркуса Кнадена изучили, как эволюционировали половые феромоны у 99 различных видов рода Drosophila. «Мы идентифицировали половые феромоны и соответствующие им обонятельные каналы в обонятельной системе мух, чтобы исследовать эволюцию феромонной сигнализации с учётом филогенетических связей», — сказал Мохаммед Халлаф, первый автор исследования. Сорок один из исследуемых видов уже был полностью секвенирован. Секвенировав полные геномы ещё 58 видов, учёные представили наиболее полный на сегодняшний день филогенетический анализ рода Drosophila.

Используя геномные данные, стало возможным генетически сравнить различия в химических профилях, а также в обнаружении и обработке запахов. Исследователи собрали запахи отдельных мух: были проанализированы запахи пяти самцов, девственных и спарившихся самок каждого вида, что в сумме составило запахи более 1500 мух. «В то время как сравнение самцов и девственных самок информировало нас о полоспецифичных различиях, вариации между спарившимися и девственными самками рассказали нам о специфических для самцов соединениях, передаваемых самкам во время спаривания», — резюмировал Маркус Кнаден, руководитель проектной группы «Запах-направленное поведение» в Отделе эволюционной нейроэтологии.

Разница в деталях

У всех 99 изученных видов мух было идентифицировано 52 различных запаховых соединения. У 81 вида учёные обнаружили феромоны, которые производятся только самцами. Самцы этих видов производят 58 различных запаховых смесей, которые могут состоять из семи отдельных запахов. Хотя самцы привлекают внимание изощрённой химией, в конечном итоге именно самки решают, состоится спаривание или нет. «Интересно, что близкородственные виды часто демонстрируют явные различия в своём феромонном профиле. В то же время отдельные феромоны снова и снова появляются вдоль филогенетического дерева. Например, самцы 34 из 99 изученных видов производят цис-вацценилацетат (cVA), хорошо описанный феромон Drosophila melanogaster. Большинство феромонов, производимых самцами, выполняют одни и те же функции: во-первых, они привлекают самок, а во-вторых, передаются самкам во время спаривания, чтобы сделать их менее привлекательными для других самцов. Это обеспечивает репродуктивный успех самцов», — сказал Маркус Кнаден.

Значительные различия в феромонном профиле самцов близкородственных видов позволяют предположить, что давление отбора, направленное на предотвращение спаривания между этими видами, произошедшими от общего предка, высоко. С другой стороны, тот факт, что целых 34 вида производят цис-вацценилацетат в качестве полового феромона, показывает, что, возможно, существует лишь ограниченное количество генов, ответственных за производство феромонов. Пока нет эволюционного давления, чтобы обозначить различие, разные виды производят один и тот же феромон.

Ключевое наблюдение заключается в том, что в роду Drosophila именно самец обычно является передатчиком химического сигнала, в то время как самки, как рецепторы, распознают и интерпретируют сигнал. «Разнообразие и обилие специфических для самцов соединений по сравнению с женскими поразительно: из 52 различных запаховых соединений 43 производятся исключительно самцами, в то время как только 9 производятся самками. Более того, 81 вид Drosophila общаются с помощью мужских феромонов, в то время как только 15 видов имеют специфически женские феромоны», — сказал Мохаммед Халлаф.

От запаха к поведению

Это исследование является первым всесторонним анализом брачного поведения большого числа видов Drosophila.

«Проводя эксперименты по спариванию, мы уже могли наблюдать, что некоторые виды демонстрируют очень специфическое поведение. Некоторые из них управлялись обонянием и начинали свой брачный танец только тогда, когда партнёр имел правильный запах. Иногда, однако, правильный рисунок крыльев или песня самца также запускали брачное поведение самки», — описал наблюдения в «брачной арене» Билл Ханссон, возглавляющий Отдел эволюционной нейроэтологии, где проводилось исследование.

Вероятно, половые феромоны играют решающую роль в качестве первого сигнала для идентификации правильного партнёра перед спариванием. Как только самка привлечена и готова к спариванию, могут инициироваться и другие брачные ритуалы, включая танец, брачный подарок или песню. Исследователи продолжат оценивать записанные эксперименты по спариванию для будущих исследований и надеются, что эти материалы также побудят другие научные группы пристальнее взглянуть на брачные стратегии разных дрозофилид.