Способствует ли адаптация к разным диетам развитию репродуктивной изоляции?
Способствует ли адаптация к разным диетам развитию репродуктивной изоляции?

Рис. 1. Общая схема исследования и главный результат. В ходе эволюционного эксперимента разные линии мух в течение 1–2 лет содержались на одном из трех кормов: стандартном лабораторном корме (Н), обедненном корме на основе крахмала (К) и на стандартном корме с добавлением 4% поваренной соли (С). Линии содержались либо в семилитровых боксах из оргстекла, либо в 250-граммовых банках. Затем мух тестировали на половую избирательность двумя способами: в «тройках» и в «четверках». Тройки показали конкурентное преимущество самцов и самок из линий, содержавшихся на нормальном корме (Н). Четверки показали положительную ассортативность, то есть повышенную частоту спариваний со «своими». Светло-серым обозначены мухи из линий, содержавшихся на неблагоприятных кормах (К и С), темно-серым — мухи, содержавшиеся на корме Н. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Evolutionary Biology

В нескольких эволюционных экспериментах на дрозофилах было показано, что адаптация к неблагоприятному корму иногда приводит к быстрому развитию частичной репродуктивной изоляции: мухи начинают преимущественно скрещиваться с партнерами, адаптированными к такому же корму, как и они сами. Это рассматривалось как яркий пример «видообразования в пробирке». Попытка воспроизвести этот удивительный результат, предпринятая на биологическом факультете МГУ, показала, что наблюдаемая половая избирательность в действительности может объясняться не разными предпочтениями мух, а разной степенью их активности или сексуальной мотивированности. При этом в тестах с множественным выбором (четверках) действительно наблюдается положительная ассортативность (повышенная частота спариваний со «своими»), однако в конкурентных тестах (тройках) выявляется не предпочтение своих, а конкурентное преимущество мух из определенных линий. По-видимому, ассортативность в четверках возникает просто за счет того, что две более энергичные (или более привлекательные) мухи быстро спариваются с друг другом, после чего у двух более слабых мух не остается выбора, так что они в итоге тоже спариваются друг с другом. Подобная ассортативность, вероятно, все-таки может способствовать видообразованию, если представители дивергирующих популяций в природе чаще оказываются в ситуациях с «множественным выбором», чем в «конкурентных». Исследование показало, что для оценки брачных предпочтений полезно использовать разные типы тестов параллельно, и в какой-то степени поставило под сомнение вывод о том, что адаптация к разным диетам может приводить к быстрой смене половых предпочтений.

Считается, что положительная ассортативность скрещиваний, то есть предпочтительное спаривание особей, сходных по каким-то признакам, может стать первым шагом к симпатрическому видообразованию (sympatric speciation). В нескольких эволюционных экспериментах на дрозофилах были получены удивительные результаты, показывающие, что положительная ассортативность может очень быстро развиться как побочный эффект адаптации к неблагоприятным кормовым субстратам. Первый и самый знаменитый из этих экспериментов был проведен Дианой Додд (D. M. B. Dodd, 1989. Reproductive isolation as a consequence of adaptive divergence in Drosophila pseudoobscura). Схема эксперимента Додд показана на рис. 2.

Способствует ли адаптация к разным диетам развитию репродуктивной изоляции?

Рис. 2. Схема эксперимента Дианы Додд (1989 года). Мухи Drosophila pseudoobscura, в течение нескольких поколений привыкавшие к жизни на двух нестандартных средах (крахмале и мальтозе), в дальнейшем предпочитали скрещиваться только со «своими», то есть с мухами, приспособившимися к такому же корму. Рисунок из статьи А. М. Куликов, А. В. Марков. Иммунная система, стресс и видообразование: звенья одной цепи? // Природа. 2009. №10. Стр. 11–17

Эксперимент Додд стал хрестоматийным примером «видообразования в лаборатории». Впоследствии её результат был воспроизведен Гилом Шароном с соавторами на другом виде дрозофил (D. melanogaster). Оказалось, что для появления положительной ассортативности дрозофилам достаточно всего двух поколений жизни на обедненной кормовой среде на основе крахмала (в эксперименте Додд мухи адаптировались к этому корму в течение 10–15 поколений). Выяснилось также, что изменения брачных предпочтений связаны с кишечной микробиотой. Удалось даже идентифицировать вид бактерий, Lactobacillus plantarum, чья численность резко возрастает у «крахмальных» дрозофил, что и приводит к появлению ассортативности. Мухи с повышенной численностью L. plantarum в кишечнике почему-то предпочитают скрещиваться с себе подобными, то есть с мухами, у которых тоже много бактерий данного вида. Об этом исследовании и его значении для теории видообразования рассказано в новости Выбор брачного партнера у животных зависит от бактерий («Элементы», 12.11.2010).

В дальнейшем было несколько попыток воспроизвести эти результаты. На одних линиях дрозофил это получалось, на других нет (пример удачной попытки: M. A. Najarro et al., 2015. Choosing mates based on the diet of your ancestors: replication of non-genetic assortative mating in Drosophila melanogaster; пример неудачной: P. T. Leftwich et al., 2017. Gut microbiomes and reproductive isolation in Drosophila). В целом складывалось впечатление, что эффект реален и воспроизводим, хотя и не на любых мухах и не в любых условиях.

В 2014 году на кафедре биологической эволюции биологического факультета МГУ был начат эволюционный эксперимент на D. melanogaster, вдохновленный результатами Додд и Шарона. Мы надеялись воспроизвести эти результаты и таким образом получить хороший модельный объект для изучения ранних этапов экологического видообразования. Однако, как это нередко бывает в эволюционных экспериментах, результаты получились не совсем такими, как мы ожидали.

В ходе эксперимента подопытные линии дрозофил содержатся на трех разных кормах: нормальном, благоприятном для дрозофил (Н), на корме с добавлением 4% соли (С) и на обедненном корме на основе крахмала (К) — таком же, как в опытах Додд и Шарона (о некоторых результатах эксперимента рассказано в новости Неадаптивная фенотипическая пластичность затрудняет видообразование, «Элементы», 09.12.2015).

Тесты на половую избирательность проводились спустя 1–2 года (20–40 поколений) после начала эволюционного эксперимента. В тестах приняли участие мухи из четырех контрольных линий, содержавшихся на корме Н (линии Н1, Н2, Н3, Н4), одной «крахмальной» (К1) и трех «соленых» линий (С1, С2, С3) (рис. 1). Позже были поставлены дополнительные тесты с участием еще двух крахмальных (К2, К3) и двух контрольных линий (Н5, Н6).

Тестировать мух на половую избирательность можно по-разному. «По умолчанию» обычно считается, что разные методы тестирования взаимозаменимы, то есть предоставляют более или менее одинаковые возможности для выявления ассортативности. Наши результаты ясно показали, что это не так.

Основных вариантов два: конкурентные тесты и тесты с множественным выбором. В первом случае в пробирку сажают одну самку с несколькими (обычно двумя) самцами из разных линий, либо, наоборот, одного самца объединяют с двумя или несколькими самками. Во втором случае в тесте участвует не менее четырех мух: например, «крахмальный» самец, «крахмальная» самка, контрольный самец и контрольная самка. Тестируются девственные самцы и самки через несколько дней после выхода из куколки. Чтобы потом можно было понять, кто с кем спарился, мух из разных линий предварительно метят при помощи микроскопических проколов левого или правого крыла (много раз было показано, что такие микропроколы не влияют на поведение, избирательность и конкурентоспособность дрозофил).

Мы начали с конкурентных тестов — «троек» (рис. 3, слева). В каждом тесте участвовали мухи из двух вариантов опыта (например, контроль и крахмал или контроль и соль).

Некоторые пары линий продемонстрировали случайное скрещивание, то есть мухи с одинаковой частотой спаривались со «своими» и «чужими». Такая картина наблюдалась в линиях С1 и Н2 (эксперименты 3 и 4 на рис. 3), а также в линиях К2, К3, Н5 и Н6, результаты по которым приведены в дополнительных материалах к обсуждаемой статье.

В остальных случаях победителями в конкуренции чаще оказывались мухи из контрольных линий Н, причем это справедливо как для самцов, так и для самок (эксперименты 1, 2, 5–8 на рис. 3). По-видимому, это значит, что мухи из линий, содержавшихся на благоприятном кормовом субстрате, находятся в лучшей физической форме, чем мухи, жившие 20–40 поколений на неблагоприятных субстратах К или С. Может быть, они более энергичны, сильны, сексуально мотивированы или неотразимо привлекательны — мы пока не можем выбрать из этих альтернатив, а можем лишь констатировать, что они более конкурентоспособны в соревновании за полового партнера.

Способствует ли адаптация к разным диетам развитию репродуктивной изоляции?
Способствует ли адаптация к разным диетам развитию репродуктивной изоляции?

Рис. 3. Результаты тестов на избирательность. Для «троек» черным цветом обозначено спаривание с контрольным самцом или самкой (Н), серым — спаривание с мухой из «стрессированной» линии (К или С). Для «четверок» градиентной заливкой обозначены спаривания со «своими» (гомогамные спаривания), белой — с «чужими» (гетерогамные спаривания). В четверках регистрировалось только первое спаривание, потому что после него две оставшиеся девственные мухи лишаются выбора. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Evolutionary Biology

Нужно пояснить, что все мухи перед тестированием на половую избирательность выращивались в строго одинаковых условиях на корме Н в течение одного поколения. Точно так же поступали и Додд, и Шарон. Это стандартная процедура для снятия непосредственного влияния корма на избирательность. Одного поколения жизни в стандартных условиях недостаточно для того, чтобы устранить все негенетические различия между линиями, в том числе различия микробиоты. Поэтому мы не можем сказать, чем именно вызваны наблюдаемые различия по конкурентоспособности между контрольными линиями Н и «стрессированными» линиями С и К: генетической дивергенцией, разной микробиотой или материнскими эффектами (то есть, например, тем, что матери тестируемых мух С и К питались плохим кормом и поэтому отложили яйца с меньшим запасом питательных веществ, из которых вывелось ослабленное потомство). Но это в данном случае и не важно (такая задача не ставилась), а важно то, что мы готовили мух к тестированию в точности так же, как это делали Додд и Шарон, но при этом наши «тройки» не подтвердили их главного результата. Они не выявили положительной ассортативности скрещиваний. Вместо этого обнаружилось конкурентное преимущество контрольных мух в некоторых (хотя и не во всех) парах сравниваемых линий.

Впрочем, и Додд, и Шарон для оценки брачных предпочтений использовали не конкурентные «тройки», а тесты с множественным выбором. Додд сажала в боксы по 12×4 = 48 мух, а Шарон с соавторами использовали «четверки». Не в этом ли причина несоответствия?

Логично предположить, что конкурентное преимущество одной из линий, выявляемое в «тройках», может дать положительную ассортативность в «четверках», если более конкурентоспособные (сильные, энергичные, привлекательные) мухи будут быстро спариваться друг с другом. И самцы, и самки дрозофил некоторое время после спаривания не интересуются сексом, то есть временно «выбывают из игры». Поэтому в «четверках» вообще учитывается только первое спаривание: ведь у двух оставшихся девственных мух нет другого выбора, кроме как спариться друг с другом.

Для проверки этого предположения мы провели с теми линиями, которые продемонстрировали неслучайное скрещивание в «тройках», тесты с множественным выбором — «четверки». Наши ожидания подтвердились: в четверках эти линии показали положительную ассортативность скрещиваний (рис. 3, эксперименты 9 и 10).

Таким образом, на этот раз наши результаты совпали с результатами Додд и Шарона. Однако, в отличие от предшественников, не проверявших избирательность в «тройках», мы не имели оснований полагать, что причина положительной ассортативности — в разных брачных предпочтениях тестируемых линий (то есть в том, что мухи предпочитают партнеров, адаптированных к такому же корму). Наши результаты скорее указывают на одинаковые предпочтения, то есть на то, что мухи из контрольных линий являются предпочтительными партнерами для всех.

В качестве дополнительной проверки можно посмотреть, какие мухи в «четверках» спаривались первыми. Если положительная ассортативность действительно объясняется тем, что более конкурентоспособные мухи быстро спариваются друг с другом, после чего у менее конкурентоспособных не остается выбора, то следует ожидать, что в тех случаях, когда в четверке наблюдалось гомогамное скрещивание («своих со своими»), первыми спаривались мухи из контрольных линий (Н). Именно это мы и наблюдали: в эксперименте 9 (рис. 3) мухи Н первыми спарились друг с другом в 76% случаев (41 из 58 «гомогамных» четверок) в эксперименте 10 — в 89% случаев (40 из 45).

Таким образом, исследование показало, что различия между линиями по конкурентоспособности могут порождать положительную ассортативность в тестах с множественным выбором. При этом сексуальные предпочтения у мух из разных линий могут быть одинаковыми. Наши результаты не дают оснований говорить о предпочтении себе подобных (приспособленных к такому же корму).

Исследование также показало, что для оценки половой избирательности полезно одновременно использовать и конкурентные тесты, и тесты с множественным выбором: картина тогда получается более цельная. Недостатком «троек» является то, что острая конкуренция за полового партнера может сделать все тонкие различия половых предпочтений нерелевантными, так что в итоге просто-напросто побеждает сильнейший из конкурентов. Недостатком «четверок» является то, что они могут показать положительную ассортативность скрещиваний как при разных половых предпочтениях (когда мухи предпочитают спариваться с себе подобными), так и при одинаковых (когда все мухи предпочитают спариваться с более конкурентоспособными партнерами, но удается это сделать только тем, кто сам имеет высокую конкурентоспособность).

Значит ли это, что Додд и Шарон ошибались, полагая, что в их экспериментах у мух, содержавшихся на разных кормах, изменились половые предпочтения? Мы не можем этого утверждать. Ясно, что адаптация к разным диетам может по-разному влиять на избирательность скрещиваний даже в лабораторных популяциях одного и того же вида, содержащихся в примерно одинаковых условиях. Влияние это зыбкое и неустойчивое. Например, все линии мух, участвующие в нашем эволюционном эксперименте, происходят от одной и той же исходной популяции и содержатся в похожих условиях. Тем не менее спустя 1–2 года в одних парах линий мы наблюдали случайное скрещивание, а в других — неслучайное (конкурентное преимущество контрольных линий в «тройках» и положительную ассортативность в «четверках»). Нам не удалось выявить различий в половых предпочтениях, но это не обязательно означает, что таких различий не было в экспериментах Додд и Шарона. Чтобы это выяснить, следовало бы поставить с теми мухами дополнительные тесты, в том числе конкурентные (тройки). С другой стороны, хотя факт быстрого развития разных половых предпочтений в некоторых линиях дрозофил в ходе адаптации к разным диетам нельзя считать опровергнутым, новые данные немного подмывают уверенность в его реальности.

Впрочем, даже если положительная ассортативность скрещиваний вызвана не разными половыми предпочтениями дивергирующих линий, а различиями в их конкурентоспособности, она от этого не перестает быть положительной ассортативностью, то есть частичной презиготической репродуктивной изоляцией. И она, наверное, всё-таки может играть какую-то роль на ранних этапах видообразования. Если положительная ассортативность, вызванная разной конкурентоспособностью, наблюдается в лабораторных тестах с множественным выбором, то она может наблюдаться и в природе, если мухи в естественных условиях часто сталкиваются с ситуацией множественного выбора. В этом случае неслучайное скрещивание может ограничивать поток генов между генофондами дивергирующих популяций. Если же в природе преобладают конкурентные ситуации, например, когда несколько самцов конкурируют за одну самку, то различия между линиями по конкурентоспособности будут скорее препятствовать генетической дивергенции.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

5 × пять =