Ученые раскрыли последовательность мутаций генов, которые позволили бабочке-монарху развиваться на токсичном молочае.
Гусеница бабочки-монарха питается только молочаем, ядовитым растением, которое должно было бы убить ее. Гусеницы "процветают" на растении, даже храня его токсины в своих телах (в качестве защиты от голодных птиц).
На протяжении десятилетий ученые восхищались этой адаптацией. Недавно, группа исследователей объявила, что они определили ключевые эволюционные шаги, которые привели к этому.
Исследователи из журнала Nature сообщили, что для превращения в стойких к яду бабочек необходимы только три генетические мутации. Они смогли внедрить эти мутации в плодовых мушек, и внезапно они тоже смогли питаться молочаем.
Биологи приветствовали это как проявление силы, которая использовала технологию редактирования генов, чтобы расшифровать серию мутаций, возникающих у некоторых видов.
«Золотой стандарт - это непосредственное тестирование мутаций в организме», - сказал Джозеф У. Торнтон, биолог-эволюционист из Университета Чикаго. Новое исследование «наконец повышает наши стандарты».
Насекомые начали питаться растениями более 400 миллионов лет назад, что стимулировало развитие многих видов ботанической защиты, включая агрессивные химические вещества. Некоторые растения, в том числе молочай, вырабатывают особенно неприятные токсины, известные как cardiac glycosides .
Правильная доза может остановить бьющееся сердце или нарушить работу нервной системы. На протяжении тысячелетий африканские охотники наносили этот яд на кончики стрел. Агата Кристи написала загадку убийства с участием наперстянки, которая производит cardiac glycosides.
Токсины выделяют так называемые натриевые насосы, которые являются неотъемлемым компонентом всех клеток животных. «Это очень уязвимая точка, и растения нацелены на нее», - сказала Сюзанна Доблер, молекулярный биолог из Гамбургского университета в Германии.
Эти насосы перемещают положительно заряженные атомы натрия из клеток, придавая их внутренностям отрицательный заряд. Сердечные клетки нуждаются в натриевых насосах для создания достаточного электрического заряда, чтобы доставить сердцебиение. Нервы используют насосы для подачи сигналов в мозг. Если насосы выходят из строя, то эти функции останавливаются.
Несмотря на опасность, гусеницы монарха полностью зависят от токсичного молочая. Самки откладывают яйца на растения, и гусеницы едят столько, сколько они могут, прежде чем сформировать куколку.
По мере того как они развиваются во взрослых, куколки переносят токсин молочая из кишок в свои новые крылья. После выхода из куколки монархи становятся летающим ядом. Птицы, которые пытаются съесть насекомых, рвут их назад.
Чтобы понять, как монархи развили эту адаптацию, доктор Доблер и ее коллеги воспользовались тем фактом, что другие виды насекомых также развили устойчивость к cardiac glycosides. Некоторые даже едят молочай.
Исследователи сравнили гены, которые служат чертежами для натриевого насоса у устойчивых к ядам видов, таких как "молочаевый" жук и "молочаевый" клоп. Оказалось, что большинство этих видов получили те же три мутации.
Но мутации всплыли не сразу. Вместо этого они возникали одна за другой.
Монархи делят одну из мутаций с родственной бабочкой, которая не ест молочая, и вторую мутацию с более близким родственником, который ест молочай, но не хранит cardiac glycosides в своих крыльях. Третья мутация возникла у еще более недавнего предка.
Д-р Доблер подозревал, что эти мутации постепенно изменяют натриевые насосы в клетках монархов, так что сердечные гликозиды не могут их нарушать. Поскольку бабочки стали более стойкими, они смогли насладиться новым запасом пищи, не тронутой большинством других насекомых.
Ноа Уайтман, эволюционный биолог из Калифорнийского университета в Беркли, руководил попыткой проверить эту гипотезу. «Эти три мутации могут быть тем, что отперло дверь» для бабочек, сказал он.
Он и его коллеги выяснили, как использовать Crispr, технологию редактирования генов, чтобы внедрить мутации в плодовых мушек. Мухи выживают на гниющих фруктах, и даже небольшая доза cardiac glycosides может быть для них смертельной.
Исследователи начали с того, что дали мушкам первую мутацию, возникшую у предков монархов. Личинки, которые несут эту мутацию, могли выживать на диете из дрожжей с низким уровнем cardiac glycosides.
Вторая мутация позволила мушкам противостоять еще большему количеству токсинов, а третья сделала их полностью устойчивыми. Со всеми тремя мутациями мушки даже начали съедать порошок сухого молочая.
Третья мутация имела другой поразительный эффект. Когда мушки с геном развились во взрослых, их тела содержали низкие уровни cardiac glycosides, полезного в качестве защиты от хищничества.
Доктор Вайтман и его коллеги также нашли замечательную картину. Одна из трех мутаций, названная "122", обеспечила самое большое повышение устойчивости. Но у всех насекомых, устойчивых к cardiac glycosides, эта мутация всегда развивалась после двух других.
Как оказалось, "122" сам по себе имеет неприятный побочный эффект. Исследователи поместили мутантов в центрифугу и вращали их в течение десяти секунд. После этого мухи были охвачены приступами в течение нескольких минут.
Обычные мухи, напротив, сразу же отошли от лабораторного карнавала. Мухи с двумя другими мутациями устойчивости также не пострадали в результате процедуры.
Доктор Уайтман и его коллеги подозревают, что мутация "122" полезна для насекомых, только если ей предшествует другая мутация. Сам по себе "122" делает насекомое склонным к судорогам. Возможно, другие мутации компенсируют это каким-то образом.
Другие исследования показали, что порядок мутаций может существенно повлиять на эволюцию существа. Например, бактерии могут приобретать устойчивость к антибиотикам в результате определенных генетических мутаций. Но некоторые из этих мутаций полезны, только если они развиваются после других.
Новое исследование теперь показывает, как порядок влияет на животных тоже.
«Они действительно восстанавливают эволюционную историю», - сказал Хопи Хукстра, эволюционный биолог из Гарварда, о новом исследовании. «Вы можете собрать воедино то, что произошло со временем».
Подписывайтесь на канал и будьте в курсе самых новых событий!