Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.967 RSS
←   Апрель 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.967 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Способность тлей приспосабливаться к колебаниям температуры зависит от симбиотических бактерий


Эволюция как сопротивление энтропии

Эволюция как сопротивление энтропии

Биологическая эволюция не просто создает новые формы — она создает формы, устойчивые к дальнейшей эволюции.

Статья доктора биологических наук Виктора Щербакова

Способность тлей приспосабливаться к колебаниям температуры зависит от симбиотических бактерий

13.04.2007

Компоненты симбиотического сверхорганизма: тля (вверху) и бактерии Buchnera, живущие в специализированных клетках хозяина — бактериоцитах (фото с сайтов www.genomenewsnetwork.org и www.uv.es)
Компоненты симбиотического сверхорганизма: тля (вверху) и бактерии Buchnera, живущие в специализированных клетках хозяина — бактериоцитах (фото с сайтов www.genomenewsnetwork.org и www.uv.es)

Устойчивость тлей к высоким температурам, как выяснилось, определяется генетическими особенностями их симбионтов — бактерий Buchnera. У некоторых тлей Acyrthosiphon pisum обнаружены мутантные симбионты, у которых при перегреве не активируется один из генов «теплового шока» — ibpA. У нормальных бактерий белок, кодируемый этим геном, помогает выдержать перегревание. Тли с мутантными симбионтами быстрее размножаются в прохладную погоду, однако при повышении температуры они начинают сильно проигрывать тем насекомым, чьи симбионты не несут мутации.

Тли питаются исключительно соками растений. Жить на этой скудной диете им позволяет удачный симбиоз с бактериями. Симбионты получают от хозяев кров и пропитание, а в обмен синтезируют для них аминокислоты, витамины и другие вещества, напрочь отсутствующие в той чуть сладенькой водичке, которая составляет единственную пищу тлей.

То, что тли представляют собой в действительности симбиотические «сверхорганизмы», придает довольно своеобразный характер их экологии и эволюции. Например, у тлей вполне возможно наследование благоприобретенных признаков «по Ламарку». Ведь за жизнь одной тли в ее клетках сменяется несколько поколений симбионтов-бухнер, при этом генофонд бактерий может измениться в результате мутаций и отбора, и тогда тля передаст своим потомкам симбионтов, генетически отличных от тех, что она сама получила от матери.

Новая статья сотрудников Факультета экологии и эволюционной биологии Аризонского университета в Тусоне (США) показывает, что генетические особенности симбионтов могут сильнейшим образом сказываться на жизнеспособности и экологических характеристиках всего симбиотического комплекса.

Симбиозу тлей с бухнерами уже более 100 миллионов лет. За это время бухнера подверглась генетической деградации — это почти неизбежная судьба всех облигатных внутриклеточных симбионтов. Бухнера потеряла способность к рекомбинации (обмену генами с другими бактериями), ее геном сильно сократился, упростился и потерял пластичность из-за утраты мобильных генетических элементов и повторов. Это снизило приспособительные способности бактерии. Как любой организм, привыкший к относительно неизменным благоприятным условиям, бухнера стала ужасно изнеженным и капризным существом. А это, в свою очередь, накладывает ограничения на весь «сверхорганизм». Например, бухнеры не любят жары — и это сильно мешает тлям распространяться в тех регионах, где высока вероятность перегрева. Между прочим, ограничения такого рода характерны и для многих других сверхорганизмов: мелкие наземные позвоночные не могли как следует освоить растительную дие! ту, пока не выработали теплокровность (необходимая для переваривания клетчатки кишечная флора не выносит переохлаждения); вспомним также, какие усилия прикладывают для поддержания постоянной температуры в своих жилищах термиты.

Главная проблема, с которой организм сталкивается при перегреве, — это возможность изменения вторичной структуры (денатурации) некоторых белков. Обычно клетка в ответ на повышение температуры включает ряд генов (их называют генами теплового шока — heat-shock genes), кодирующих специальные белки — шапероны, чья функция состоит в том, что они «насильно» придают другим белкам правильную конфигурацию. Гены теплового шока (в количестве пяти штук) есть и у бухнеры.

Любопытно, что некоторые гены, которые у других организмов обычно активируются при перегреве, у бухнеры всегда работают с повышенной активностью. Дело в том, что неправильное сворачивание белков может происходить не только из-за высоких температур, но и из-за вредных мутаций в генах, кодирующих эти белки. Бухнера, лишенная способности к рекомбинации, обречена на постоянное накопление мутационного груза, а шапероны до некоторой степени могут сгладить негативные эффекты мутаций, сворачивая правильным образом не совсем правильные белки.

Ученые взяли три лабораторные линии гороховой тли Acyrthosiphon pisum и измерили активность генов бухнеры при нормальной температуре и при перегреве (о методике измерения активности генов см. в заметке Эволюция человека сопровождалась изменением активности генов-регуляторов, «Элементы», 13.03.2006). Оказалось, что у бухнер одной из трех линий при тепловом шоке не активируется ген ibpA, который кодирует небольшой «теплозащитный» белок, имеющийся не только у бактерий, но практически у всех живых организмов.

Поскольку линия тлей, где обнаружилась эта аномалия, была произведена всего пять лет назад от «нормальной» линии, в которой ibpA активируется при перегреве, ученые предположили, что причиной является мутация (скорее всего единичная), возникшая менее пяти лет назад.

Геном бухнеры прочтен, и найти мутацию было нетрудно. Исследователи отсеквенировали регуляторную область гена ibpA и обнаружили, что у бактерий с аномальной реакцией на перегрев «потерялся» один нуклеотид (аденин) в том месте, где к хромосоме присоединяется регуляторный белок y32, который как раз и включает ген ibpA (и другие гены теплового шока) в стрессовой ситуации.

В дальнейшем были проверены многие другие лабораторные линии тлей этого вида, и в одной из них обнаружился второй случай независимого возникновения той же самой мутации. Зная историю изучаемых линий, авторы установили, что один раз мутация произошла в 2001 году, второй — в 2005-м. Естественно, ученые захотели выяснить, встречается ли эта мутация в природных популяциях. Оказалось, что она довольно обычна у тлей из прохладных штатов Нью-Йорк и Висконсин (в некоторых популяциях мутантные симбионты присутствуют у 20% тлей), но не встречается в штатах Аризона и Юта, где бывает по-настоящему жарко. Эксперименты подтвердили, что у всех мутантов ген ibpA не активируется при перегреве, а у всех линий без мутации — активируется. Остальные гены теплового шока активировались совершенно одинаково как у мутантных, так и у нормальных бухнер.

Исследователи решили выяснить, каким образом мутация, произошедшая у бактериального симбионта, отражается на жизнеспособности и репродуктивном потенциале симбиотического сверхорганизма. Тлей с мутантными и нормальными бухнерами выращивали в разных температурных условиях: при постоянной температуре 15 и 20C, а часть насекомых в возрасте двух дней после вылупления из яйца подвергали четырехчасовому нагреванию до 35,5C. Выяснилось, что после перегрева тли с мутантными симбионтами почти полностью утрачивают способность к размножению, тогда как тли с нормальными симбионтами размножаются вполне успешно. Однако при постоянной температуре 15 или 20C заметным преимуществом обладают тли с мутантными симбионтами. Они раньше начинают размножаться и в среднем производят больше потомков.

Дополнительные эксперименты позволили установить, почему кратковременный перегрев так губительно сказывается на тлях с мутантными бухнерами: повышение температуры до 35C или выше приводит к массовой гибели бактериальных симбионтов. После этого остается всего лишь около 1000 бактерий на одно насекомое, тогда как норма составляет примерно миллион.

Таким образом, мутантные бухнеры дают преимущество тлям при постоянной невысокой температуре среды, а «нормальные» выгодны в том случае, если существует опасность перегрева. По-видимому, в зависимости от климатических условий местности и даже от времени года направление отбора в природных популяциях тлей может меняться: иногда преимущество получают тли с обычными, а иногда — с мутантными симбионтами. В результате оба генетических варианта сохраняются в природных популяциях, и ни один из них не может полностью вытеснить другой.

Источник: H. E. Dunbar, A. C. C. Wilson, N. R. Ferguson, N. A. Moran. Aphid Thermal Tolerance Is Governed by a Point Mutation in Bacterial Symbionts // PLoS Biol. 2007. 5(5): e96 doi:10.1371/journal.pbio.0050096.

О симбиотических бактериях у насекомых, питающихся соками растений, см. также:
1) Клопы кормят свое потомство полезными бактериями, «Элементы», 13.10.2006.
2) Прочтен самый маленький геном, «Элементы», 16.10.2006.

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

12.04 Тайна эмбрионов Доушаньтуо раскрыта

Группа палеонтологов из Китая и США обнаружила новые окаменелости в формации Доушаньтуо. На этот раз эмбрионоподобные образования оказались заключенными внутрь сложной орнаментированной многоклеточной оболочки. Эти находки не только надежно прикрепили эмбрионов из Доушаньтуо к животному многоклеточному миру, но и существенно состарили этот мир.

11.04 Найден ген, от которого зависит размер собак

Почти для всех маленьких собак, как оказалось, характерно присутствие одного и того же варианта (аллеля B) гена IGF1. В плазме крови таких собак понижена концентрация инсулиноподобного фактора роста — важного регулятора деления клеток и роста организма. Сравнительно-генетический анализ различных пород показал, что этот вариант гена появился еще на заре истории домашних собак.

09.04 Таяние ледников Антарктиды и Гренландии почти не сказывается на уровне Мирового океана

Уровень океана поднимается сейчас примерно на 3,5 мм в год, из них только на 0,35 мм — за счет таяния ледников Гренландии и Антарктиды. Баланс процессов таяния и образования нового льда пока не сводится. К такому осторожному выводу пришли британские исследователи в своем обзоре новейших работ по динамике ледовых шапок нашей планеты.

06.04 Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество

По мнению новозеландского микробиолога Пола Рейни, тело многоклеточного организма могло возникнуть благодаря кооперации клеток, жертвующих собственным репродуктивным потенциалом ради блага колонии, а половые клетки образовались из клеток-обманщиков, которые пользовались преимуществами жизни в колонии, но не делали личного вклада в ее процветание.

05.04 Кораллы могут обходиться без скелета

Рост концентрации CO2 в атмосфере ведет не только к потеплению, но и к закислению морской воды. Это грозит крупными неприятностями многим морским обитателям, скелет которых состоит из легко растворяющегося в кислой среде карбоната кальция. Вопреки ожиданиям, лишаясь скелета, кораллы не погибают, а переходят к одиночному образу жизни наподобие актиний.

03.04 Выяснено происхождение самого большого цветка

Раффлезия — паразитическое растение с самыми крупными в мире цветами, но полностью лишенное листьев, стебля и корней. Происхождение и родственные связи этого паразита долго оставались загадочными. Генетический анализ показал, что раффлезия относится к семейству молочайных (Euphorbiaceae), хотя цветок у ее предков был примерно в 80 раз мельче.

01.04 Элементарные нечастицы

Знаменитый американский физик предложил кардинально новую возможность в физике элементарных частиц.

29.03 Мышиный мозг готов увидеть мир по-человечески

Мыши обладают только двумя зрительными пигментами, и спектр различаемых ими цветов уже, чем у человека. Эксперименты с трансгенными мышами со встроенным геном человеческого светочувствительного пигмента показывают, что мышиный мозг, вооруженный человеческой (трихроматической) фоторецепторной системой, способен воспринять мир по-человечески.

28.03 Март — месяц затмений (глазами очевидца)

Первый весенний месяц 2007 года преподнес жителям Земли два великолепных астрономических явления: полное лунное и частное солнечное затмение. Несмотря на пессимистичные прогнозы погоды, оба явления удалось наблюдать во многих городах России и СНГ. Среди тех, кому повезло, — и автор этих строк.
В избранное