Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.975 RSS
←   Февраль 2008   →
 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


За последние 60 дней ни разу не выходила


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

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.975 подписчиков
+4 за неделю
←   Все выпуски   →

Ювенильный гормон делает гусениц похожими на птичий помёт


Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Ювенильный гормон делает гусениц похожими на птичий помёт

26.02.2008

Взрослый ксут (Papilio xuthus) в японской префектуре Осака (откуда авторы обсуждаемой статьи получили часть исследованных ими гусениц). Фото с сайта commons.wikimedia.org
Взрослый ксут (Papilio xuthus) в японской префектуре Осака (откуда авторы обсуждаемой статьи получили часть исследованных ими гусениц). Фото с сайта commons.wikimedia.org

Парусник, или хвостоносец, ксут (Papilio xuthus) — дальневосточная бабочка, молодые гусеницы которой (с первого по четвертый возраст) похожи на птичий помёт, а зрелые (последнего, пятого возраста) — гладкие и окрашены в зеленый цвет, делающий их менее заметными на фоне листьев. Результаты исследований, проведенных в Токийском университете, показали, что регуляция типа окраски у гусениц осуществляется за счет ювенильного гормона (ЮГ). Высокий уровень ЮГ у личинок не дает им раньше времени превращаться во взрослых насекомых. Снижение уровня этого гормона в гемолимфе гусениц четвертого возраста приводит к тому, что при переходе к пятому возрасту окраска и рельеф покровов гусеницы сильно изменяются. Если обработать гусениц в начале четвертого возраста аналогом ЮГ, то зрелые гусеницы остаются похожими на птичий помёт. По-видимому, происходящее при нормальном развитии сниж! ение уровня ЮГ у гусениц четвертого возраста подавляет синтез одних белков в покровах гусеницы и стимулирует синтез других, тем самым обеспечивая смену одного типа окраски и рельефа покровов на другой.

Ксут (Papilio xuthus) — крупная бабочка из рода хвостоносцев (Papilio) семейства парусников (Papilionidae), распространенная в Японии, Китае, Корее и на Дальнем Востоке России, близкий родственник махаона (Papilio machaon) — и так же, как и махаон, названный в честь искусного врача Махаона, носящая имя героя древнегреческой мифологии: Ксут, или Ксуф — один из легендарных прародителей греческого народа.

Молодая гусеница ксута (вверху), имитирующая птичий помёт, на листе растения рядом с настоящим птичьим помётом (real bird dropping) и зрелая гусеница ксута (внизу), окрашенная под цвет листьев. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science
Молодая гусеница ксута (вверху), имитирующая птичий помёт, на листе растения рядом с настоящим птичьим помётом (real bird dropping) и зрелая гусеница ксута (внизу), окрашенная под цвет листьев. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Гусеницы ксута питаются листьями деревьев и кустарников из семейства рутовых (Rutaceae), к которому относятся цитрусовые растения (такие, как апельсин и лимон). Молодые гусеницы, с первого возраста (после вылупления из яйца) по четвертый (после прохождения третьей линьки, когда гусеница в третий раз сбрасывает внешние слои своих покровов), на первый взгляд едва отличимы от птичьего помёта. В ходе последней, четвертой линьки окраска и рельеф покровов гусеницы резко изменяются, и зрелая гусеница (пятого возраста) выглядит совсем иначе: гладкая и окрашенная в зеленый цвет, она малозаметна на фоне листьев кормового растения.

Можно предположить, что большой гусенице уже невыгодно быть похожей на птичий помёт, потому что помёт такого большого размера редко встречается на листьях кормовых растений ксута. Птицам, поедающим гусениц, легче отличить от птичьего помёта большую гусеницу, чем маленькую, поэтому, достигая последнего возраста, гусеницы меняют миметическую, подражательную (в данном случае по отношению к несъедобному для птиц птичьему помёту) окраску на криптическую (или покровительственную) — защитную, делающую гусеницу малозаметной на фоне листьев.

Рё Футахаси (Ryo Futahashi) и Харухико Фудзивара (Haruhiko Fujiwara) из Токийского университета (University of Tokyo) установили, что превращение похожих на птичий помёт рельефных гусениц в зеленых и гладких обеспечивается за счет ювенильного гормона (ЮГ), регулирующего в ходе личиночного развития насекомых и течение других, не менее важных процессов (в частности, высокий уровень ЮГ обеспечивает рост личинки и не дает ей превращаться раньше времени во взрослое насекомое); некоторые функции ювенильный гормон может регулировать и у взрослых.

В начале четвертого возраста уровень ювенильного гормона в гемолимфе («крови» у насекомых) начинает падать, обеспечивая подготовку организма гусеницы к превращению через стадию куколки во взрослое насекомое — бабочку. Футахаси и Фудзивара обрабатывали спинную поверхность тела гусениц четвертого возраста метопреном, аналогом ювенильного гормона. Оказалось, что обработка гусеницы метопреном вскоре после третьей линьки в большинстве случаев приводит к тому, что при переходе к пятому возрасту гусеница не меняет окраску на зеленую, а рельеф поверхности тела на гладкий, а остается похожей на птичий помёт. Обработка гусениц через 12 часов после третьей линьки может приводить к формированию промежуточного варианта о! краски и рельефа, а обработка через 20 часов уже не может остановить превращение похожей на птичий помёт гусеницы в зеленую и гладкую.

Различия облика нормальных гусениц и гусениц, обработанных вскоре после третьей линьки аналогом ЮГ, связаны с тем, что в клетках покровов у них по-разному экспрессируются гены, отвечающие за окраску: в покровах нормальных гусениц синтезируются одни ферменты, а в покровах обработанных — другие. Кроме того, синтез некоторых ферментов по-разному распределен по телу гусениц, что обусловливает различное распределение участков, окрашенных в черный цвет.

Уровень ювенильного гормона (ЮГ, JH, juvenile hormone; в нанограммах на миллилитр) гемолимфы гусеницы и другого гормона — экдистерона (он же 20-гидроксиэкдизон, 20E, 20-hydroxyecdisone). HSC (head capsule slippage) — сбрасывание старой оболочки головной капсулы (в начале линьки); 3rd ecdysis и 4th ecdysis — моменты завершения 3-й и 4-й линьки. Нормальная гусеница пятого возраста (в правом нижнем углу) окрашена в зеленый цвет с несколькими черными полосками и имеет гладкие покровы. В результате воздействия аналога ЮГ (the addition of JH analog) на перелинявшую 4 часа назад гусеницу четвертого возраста (показано красным) из нее впоследствии образуется гусеница пятого возраста, похожая на птичий помёт, как нормальная гусеница четвертого возраста (в левом верхнем углу). Если то же воздейств! ие оказать на гусеницу четвертого возраста через 12 часов после линьки (показано синим), то облик гусеницы пятого возраста будет промежуточным между нормальным и сходным с птичьим помётом. Масштабный отрезок, по-видимому, 1 см (в статье сказано «1 мм», но это, вероятно, опечатка). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science
Уровень ювенильного гормона (ЮГ, JH, juvenile hormone; в нанограммах на миллилитр) гемолимфы гусеницы и другого гормона — экдистерона (он же 20-гидроксиэкдизон, 20E, 20-hydroxyecdisone). HSC (head capsule slippage) — сбрасывание старой оболочки головной капсулы (в начале линьки); 3rd ecdysis и 4th ecdysis — моменты завершения 3-й и 4-й линьки. Нормальная гусеница пятого возраста (в правом нижнем углу) окрашена в зеленый цвет с несколькими черными полосками и имеет гладкие покровы. В результате воздействия аналога ЮГ (the addition of JH analog) на перелинявшую 4 часа назад гусеницу четвертого возраста (показано красным) из нее впоследствии образуется гусеница пятого возраста, похожая на птичий помёт, как нормальная гусеница четвертого возраста (в левом верхнем углу). Если то же воздействие оказать на гусеницу четвертого возра! ста через 12 часов после линьки (показано синим), то облик гусеницы пятого возраста будет промежуточным между нормальным и сходным с птичьим помётом. Масштабный отрезок, по-видимому, 1 см (в статье сказано «1 мм», но это, вероятно, опечатка). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы установить, какие гены экспрессируются в одном и не экспрессируются в другом случае, исследователи использовали методику вычитания комплементарной ДНК (cDNA subtraction), или супрессионной вычитающей гибридизации (suppression subtractive hybridization, SSH), разработанную сотрудником Института биоорганической химии РАН Сергеем Анатольевичем Лукьяновым и несколькими его коллегами в 90-е годы и широко применяемую в настоящее время во всем мире. Эта методика позволяет установить, сравнивая препараты двух групп клеток, с каких генов информация считывается в одной группе и не считывается в другой. Из двух препаратов клеток выделяют матричную РНК (мРНК), синтезируют комплементарную ей ДНК (кДНК), после чего с помощью специальной технологии амплифицируют (размножают) только те молекулы кДНК, которые имеются лишь в одном из двух образцов — то есть соответствующие генам, работающим в одном, но не работающим в другом случае.

Действие высокого (high) и низкого (low) уровня ювенильного гормона (JH) на формирование внешнего облика зрелой гусеницы. Высокий уровень гормона активирует синтез специфических кутикулярных белков (specific cuticle proteins), способствующих образованию выступающих структур (tubercle structures) на поверхности кутикулы (плотных внешних слоев покровов, выделяемых клетками гиподермы — внутреннего слоя покровов). Низкий уровень ЮГ, в свою очередь, активирует синтез билин-связывающего белка (bilin binding protein), способствуя формированию зеленой (green) окраски. От уровня ЮГ зависит также положение тех участков гиподермы, в клетках которых активируются ферменты тирозингидроксилаза (tyrosine hydroxylase, TH) и допа-декарбоксилаза (dopa decarboxylase, DDC), обеспечивающие синтез черного пигмента — меланина. В результате из молодых гусениц, у ! которых уровень ЮГ остался высоким (точнее, подвергшихся воздействию аналога ЮГ, когда уровень ЮГ в их организме начал в соответствии с программой развития падать), вырастают зрелые гусеницы миметического, или подражательного, типа (mimetic), напоминающие птичий помёт, а из молодых гусениц с низким уровнем ЮГ (снизившимся у четвертого возраста) вырастают зрелые гусеницы с нормальной для зрелых гусениц криптической, или покровительственной, окраской (cryptic) и гладкими покровами. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science
Действие высокого (high) и низкого (low) уровня ювенильного гормона (JH) на формирование внешнего облика зрелой гусеницы. Высокий уровень гормона активирует синтез специфических кутикулярных белков (specific cuticle proteins), способствующих образованию выступающих структур (tubercle structures) на поверхности кутикулы (плотных внешних слоев покровов, выделяемых клетками гиподермы — внутреннего слоя покровов). Низкий уровень ЮГ, в свою очередь, активирует синтез билин-связывающего белка (bilin binding protein), способствуя формированию зеленой (green) окраски. От уровня ЮГ зависит также положение тех участков гиподермы, в клетках которых активируются ферменты тирозингидроксилаза (tyrosine hydroxylase, TH) и допа-декарбоксилаза (dopa decarboxylase, DDC)! , обеспечивающие синтез черного пигмента — меланина. В результате из молодых гусениц, у которых уровень ЮГ остался высоким (точнее, подвергшихся воздействию аналога ЮГ, когда уровень ЮГ в их организме начал в соответствии с программой развития падать), вырастают зрелые гусеницы миметического, или подражательного, типа (mimetic), напоминающие птичий помет, а из молодых гусениц с низким уровнем ЮГ (снизившимся у четвертого возраста) вырастают зрелые гусеницы с нормальной для зрелых гусениц криптической, или покровительственной, окраской (cryptic) и гладкими покровами. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

С помощью вычитания кДНК Футахаси и Фудзивара выяснили, что обработка гусениц четвертого возраста аналогом ЮГ приводит к активации генов, обеспечивающих рельефность покровов, к подавлению работы гена, делающего гусеницу зеленой, и к сохранению свойственного ранним возрастам распределения в покровах тела участков, на которых работают гены, отвечающие за синтез меланина (темного пигмента).

Эти результаты свидетельствуют о том, что в норме низкий уровень ювенильного гормона в гемолимфе гусениц четвертого возраста способствует синтезу в покровах одних белков и препятствует синтезу других, включая и выключая соответствующие гены. При этом синтез ферментов, обеспечивающих рельефность покровов, прекращается по всей поверхности спинной стороны тела, и вместо них начинает синтезироваться фермент, работа которого делает гусеницу зеленой. В свою очередь, ферменты, отвечающие за синтез меланина, включаются в клетках покровов на одних участках и выключаются на других, за счет чего происходит переход от грубого черно-белого узора у гусеницы, похожей на птичий помёт, к тонкому узору из нескольких черных полос у зеленой гусеницы.

Не только гусеницы ксута, но, по-видимому, и гусеницы всех остальных видов рода Papilio на ранних этапах развития (с первого по третий или по четвертый возраст) похожи на птичий помёт. У ряда видов птичий помёт напоминают и зрелые гусеницы, но у многих других рельеф и окраска покровов на определенном этапе личиночного развития резко меняются: окраска становится не миметической (подражательной), а покровительственной (защитной) или отпугивающей. Есть все основания полагать, что не только у ксута, но и у других, по крайней мере некоторых, видов бабочек, у которых на каком-то этапе личиночного развития происходит смена окраски и рельефа покровов, эту смену вызывает понижение содержания ювенильного гормона в гемолимфе.

Источник: Ryo Futahashi, Haruhiko Fujiwara. Juvenile hormone regulates butterfly larval pattern switches // Science. 22 February 2008. V. 319. P. 1061.

Cм. также:
1) Julie Steenhuysen. Hormone governs caterpillar's bird dropping disguise // Reuters. 21.02.2008.
2) Николай Горностаев. Чем уже лист, тем ярче гусеница, «Элементы», 13.12.2007.

Петр Петров

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

20.02 С помощью гравитационного микролинзирования открыты аналоги Юпитера и Сатурна

Международная команда астрономов сообщила об обнаружении в 1,5 килопарсек от нас планетной системы, очень похожей на нашу Солнечную, только уменьшенную в два раза. Вокруг центральной звезды в два раза легче Солнца обращаются две планеты-гиганта — «как-бы-Юпитер» с массой 0,7 от массы нашего Юпитера и «как-бы-Сатурн» с массой 0,83 от массы Сатурна.

20.02 Луговым травам небезразлично, как пауки охотятся на кобылок

Исследования изолированных участков луга с двумя видами хищных пауков, поедающих растительноядных кобылок, показали, что в экосистеме, где обитает только активный охотник, уменьшается разнообразие растений, но увеличивается скорость синтеза органики луговыми травами; в присутствии же только засадного хищника разнообразие оказывается выше, зато интенсивность фотосинтеза снижается.
В избранное