Гибридизация повышает способность к расселению жуков-зерновок

Рис. 1. Четырехпятнистые зерновки на коровьем горохе в экспериментальной чашке Петри. Рисунок из синопсиса к обсуждаемой статье в Journal of Animal Ecology

Генетика инвазивных видов давно интересует эволюционных экологов. Группа американских исследователей на примере вредителей сельского хозяйства — жуков-зерновок — экспериментально показала, что слияние двух или более генетически разнородных популяций одного вида приводит к увеличению скорости и дальности расселения. Предполагается, что это связано с явлением гетерозиса — увеличением жизнеспособности при наследовании потомками генов от разнородных родителей. Это первое исследование, показавшее, что гибридизация может влиять на успешность расселения инвазивных видов.

Инвазивным видам животных свойственно быстрое расселение. Эти виды широко распространяются в результате деятельности человека — к примеру, среди них много вредителей сельского хозяйства. Поэтому их изучение имеет важное практическое значение. Одним из главных вопросов для ученых являются генетические механизмы, определяющие успешность расселения таких видов, в частности то, как влияет на расселение гибридизация —объединение в одной клетке разнородного генетического материала.

С гибридизацией связано и явление гетерозиса — увеличение жизнеспособности гибридов из-за наследования ими разных аллелей от разнородных родителей. Человек давно использует гетерозис в своей практике. Один из наиболее известных примеров — это выносливые работящие мулы, представляющие собой результат скрещивания осла и кобылы. Термин гетерозис может быть применен и к животным одного вида. Речь идет о повышенной жизнеспособности, например, потомков родительских особей, принадлежащих к разным популяциям. Интересный вопрос состоит в том, играет ли гетерозис какую-либо существенную роль в дикой природе? Ведь, в принципе, разные популяции одного и того же вида в силу стечения обстоятельств могут вступать в пространственный контакт и смешиваться друг с другом. Причем наиболее часто это происходит, когда они начинают расширять область своего распространения и занимать прежде незаселенные угодья. В результате две или несколько популяций могут встретиться и смешаться.

Группа биологов из Техаса (США) решила выяснить, может ли гибридизация влиять на скорость и дальность расселения. Объектом исследования ученых был выбран небольшой жук — четырехпятнистая зерновка (Callosobruchus maculatus) (рис. 1) из семейства листоедов (Chrysomelidae). Это распространенный по всему миру вредитель зернохранилищ (предпочитающий бобовые культуры), а также модельный объект для исследований пространственной структуры популяций и расселения. Взрослые жуки живут всего около недели и в это время не питаются. Вредителями являются личинки, которые, появившись из яиц, внедряются внутрь боба и питаются им. Период жизни зерновок (от появления яйца до смерти взрослого насекомого) довольно короток и составляет в среднем 32 дня.

Эксперимент проводился в лаборатории. Здесь ученые работали с жуками-зерновками, привезенными из разных стран. Жуков содержали на коровьем горохе, или вигне китайской (Vigna unguiculata), — излюбленном объекте питания четырехпятнистой зерновки. Особи из разных популяций заметно различались по молекулярно-генетическим признакам и деталям фенотипа (см. также M. Tuda et al. 2014. Global genetic differentiation in a cosmopolitan pest of stored beans: effect of geography host-plant usage and anthropogenic factors), однако свободно скрещивались между собой.

Экспериментальный «ландшафт» для моделирования расселения жуков состоял из 48 чашек Петри, последовательно соединенных стеклянными трубками в единый круг. Через трубки насекомые могли расселяться от чашки к чашке. Жизненный цикл жуков (длящийся, как уже было сказано, 32 дня) был разделен на два отрезка: первые сутки взрослым особям позволяли расселяться по чашкам Петри, а на следующие 31 день насекомое помещали (вместе с другими жуками) в другую чашку Петри, откуда жуки никуда расселяться не могли и занимались размножением. Там же из отложенных яиц развивались личинки. По достижении ими взрослого состояния этих жуков следующего поколения снова на сутки помещали в экспериментальный «ландшафт» и затем количественно оценивали их расселение. Такая процедура повторялась в течение шести поколений. Причем каждое последующее поколение высаживали в экспериментальном «ландшафте» в самую дальнюю из чашек Петри, куда успели расселиться их родители.

Происхождение жуков, составивших экспериментальные группы (всего их было 28) показано на рис. 2. Ученые использовали 10 групп, включавших жуков из одной популяции (группы 1–10), и по шесть групп, поровну составленных из представителей двух (группы 11–16), четырех (17–22) и шести (23–28) популяций.

Экспериментальные группы жуков

Рис. 2. Экспериментальные группы, составленные из жуков одной, двух, четырех и шести популяций. Серым выделены квадраты, соответствующие популяциям, входящим в состав данной экспериментальной группы. А — Бенин, B — Бразилия, C — Калифорния, D — жуки из культуры Международного института тропического сельского хозяйства (International Institute of Tropical Agriculture), E — Мали, F — Нигерия, G — южная Индия, H – Уганда, I — Буркина-Фасо, Йемен. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Animal Ecology

Оказалось, что жуки из групп, составленных из насекомых одной популяции, расселялись с меньшей скоростью, нежели те, которые происходили из двух, четырех или шести популяций. Последние три группы между собой не различались (рис. 3).

Дистанция расселения

Рис. 3. Дистанция расселения (измеряемая в числе пройденных чашек Петри) у жуков разных экспериментальных групп в шести последовательных поколениях. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Animal Ecology

Ученые полагают, что повышение способности к расселению может быть связано с явлением гетерозиса. Этот эффект показан впервые. Хотя это, в общем, ожидаемо: несложно предположить, что более жизнеспособные «гетерозисные» особи будут расселяться дальше, чем их более «хилые» собратья.

Показанный в лаборатории эффект может играть важную роль и в естественных условиях и должен учитываться при борьбе с вредителями сельского хозяйства. Представим себе такую ситуацию. Живет на поле некий вредитель, и его численность так или иначе сдерживают. Но если на это поле случайно попадет тот же вид, но из другой, удаленной местности (например, с посевным материалом), скрещивание двух разных популяций может привести к увеличению способности к расселению и, как результат, к увеличению численности вредителя за счет завоевания им новых пространств. Так что данное исследование прекрасно сочетает в себе фундаментальную и практическую значимость.

Источник: Natalie K. Wagner, Brad M. Ochocki, Kerry M. Crawford, Aldo Compagnoni and Tom E.X. Miller. Genetic mixture of multiple source populations accelerates invasive range expansion // Journal of Animal Ecology. 2017. V. 86. P. 21–34.

Алексей Опаев


9
Показать комментарии (9)
Свернуть комментарии (9)

  • sVv#14  | 13.03.2017 | 11:07 Ответить
    Расстояние между исходными культурами жуков - тысячи километров. А рост экспансивности за счет гетерозиса - в пределах метров. В природе любой ветерок его затрет.
    Ответить
    • aosypov > sVv#14 | 13.03.2017 | 13:23 Ответить
      Вводная: вертикальный профиль ветров очень неоднороден, сила ветра в пологе мала, чуть выше - и уже принципиально больше, еще выше - еще. Допустим, гетерозисные жуки способны подлетывать на бОльшую высоту.
      Тогда этот эффект, в зависимости от конкретных условий, может влиять от никак до драматически.
      Ответить
      • Alexey Opaev > aosypov | 13.03.2017 | 15:25 Ответить
        Эксперимент проводили в лаборатории, без ветра. Так что допускать, что гетерозисные жуки выше взлетают, пока как бы нет оснований. Тем более,главное,в эксперименте они ползали, а не летали.
        Ответить
        • aosypov > Alexey Opaev | 13.03.2017 | 15:42 Ответить
          ох...

          допустить - можно вообще всегда, на то оно и допущение, главное оговорить. Тут оно обосновано исходя из понятие о гетерозисе как таковом. При этом допущении см. выше - вполне интересное следствие с возможными механизмами экспансии.

          Главное, в эксперименте они ползали по чашкам Петри, при чем тут вообще поле...
          Ответить
          • Alexey Opaev > aosypov | 13.03.2017 | 15:51 Ответить
            Все так, допустить можно что угодно. Но допущение должно быть на чем-то основано, я думаю… Из понятия гетерозиса не следует, что жуки будут выше взлетать, если я вас правильно понял. Плюс эти жуки ведь и в поле в основном ползают.
            Ответить
    • Alexey Opaev > sVv#14 | 13.03.2017 | 15:24 Ответить
      Экспансия в принципе начинается с нескольких метров. Речь идет о том, что при прочих равных условиях гетерозисные расселяются быстрее. Если скорость расселения у них в целом выше (что и было показано), то и дальше они будут расселяться просто быстрее. Понятно, что в каждой конкретной ситуации в природе конкретный сценарий будет зависеть от внешних факторов, возможно, от того же ветра.
      Ответить
      • sVv#14 > Alexey Opaev | 14.03.2017 | 09:32 Ответить
        Ага. Ягуара не было на Антилах, а ленивец был. Ягуар в день патрулирует порядка 3-5 км, а ленивец - порядка нескольких метров (и хорошо если каждый день). При прочих равных условиях ягуар расселяется быстрее. И, тем не менее, ленивец на Антилах был, а ягуар - нет. Биология - не физика. Экспансия начинается не с метров напролом, а с умения использовать те самые условия, которые бывают прочими, но никогда не бывают равными. В заголовке написано корректно - способность к расселению. Но способность - еще не расселение. Жуку и летать не нужно. Свежий ветер легко перекатывает зерновку, волны несут ее по воде. Отсюда главное - забраться внутрь ее, чтоб не раздавило, а не ползать снаружи, где всяк тебя обидеть может.
        Кстати, что касается мула, то его рабочие параметры - не результат собственно гетерозиса, а результат селекции человеком производителя - осла - на гетрозис. Когда в СССР попробовали в 20 гг поставить муловодство, оказалось, что закавказские и среднеазиатские ослы, как при прямом, так и при реципрокном скрещивании с лошадьми дают широкую дисперсию: в потомстве встречаются как муловидные, так и лошаковидные формы. Пришлось покупать ослов во Франции, так как мулов дают конкретные породы ослов.
        Ответить
        • niou > sVv#14 | 14.03.2017 | 09:36 Ответить
          У ленивцев была фора - они появились в южной Америке несколько раньше ягуаров...
          Ответить
          • sVv#14 > niou | 14.03.2017 | 09:55 Ответить
            А я про Южную Америку не говорю, я про Антильские острова. Там вообще никаких хищных млекопитающих не было. Ни с юга, ни с севера. Их роль играли совы. Так что дело не в форе.
            Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»