Дрожжи или жизнь! Дрозофилы с обедненной дрожжевой микробиотой дольше живут, но откладывают гораздо меньше яиц

Рис. 1. Дизайн тестирования по оценке влияния различных компонентов дрожжевой микробиоты на продолжительность жизни и плодовитость дрозофил из контрольной линии (Мн) и линии с обедненной дрожжевой микробиотой (Мбд). Квадратами обозначены боксы из оргстекла, в которых проводилось тестирование обоеполых когорт дрозофил. Корм Н – стандартная благоприятная лабораторная среда, на которой содержатся мухи D. melanogaster в лаборатории. (Рисунок из обсуждаемой статьи)

Известно, что многоклеточные организмы обладают микробиотой, которая оказывает влияние на своего хозяина. Бактерии и дрожжи, входящие в состав микробиоты плодовой мухи дрозофилы, могут влиять на продолжительность её жизни и плодовитость, однако значение дрожжей в этом вопросе изучено значительно меньше, чем значение бактерий. Мы оценили влияние различных видов дрожжей на дрозофил и пришли к выводу, что дольше живут мухи без дрожжей. Однако они же оставляют меньше потомства, поэтому в одинаковых условиях оказываются менее приспособленными. При подсеве дрожжей на корм к экспериментальным мухам продолжительность жизни самцов сокращается сильнее, чем самок. Подсев разных видов дрожжей по-разному влияет на продолжительность жизни и плодовитость мух. Дрожжи, типичные для микробиоты дрозофил, меньше сокращают жизнь и восстанавливают возрастную динамику плодовитости до контрольного уровня, тогда как нетипичные дрожжи смещают репродукцию самок на ранний возраст и сильнее сокращают продолжительность жизни. Полученные результаты демонстрируют справедливость хологеномной теории эволюции, согласно которой единицей отбора стоит считать не отдельный организм, а хологеном – макроорганизм и ассоциированную с ним микробиоту.

Микробиота, ассоциированная с макроорганизмом, оказывает многоплановое влияние на процессы, происходящие в организме хозяина. Одним из распространённых модельных объектов, на котором изучается взаимосвязь микробиоты и макроорганизма, является плодовая муха Drosophila melanogaster. В опубликованных ранее работах было продемонстрировано, что бактерии, входящие в состав микробиоты дрозофил, могут влиять на пищеварительную и иммунную системы хозяина, его поведение, в том числе брачное, а также на его продолжительность жизни (ПЖ) и плодовитость. Однако в состав микробиоты входят не только бактерии, но и дрожжи, которые выступают основным источником пищи для дрозофил на личиночной и имагинальной стадиях. Несмотря на это, их взаимосвязи с организмом хозяина до сих пор остаются изученными недостаточно. На кафедре биологической эволюции биологического факультета МГУ проводится долгосрочный эволюционный эксперимент, одна из задач которого – выявить вклад микробиоты в адаптацию дрозофил к разным диетам и проследить изменение параметров жизненного цикла мух в ходе этой адаптации. На данный момент выявлено, что значимые различия по ПЖ между дрозофилами разных лабораторных линий обусловлены именно микробиотой, а не изменениями в геноме самих дрозофил.

Настоящая работа направлена на то, чтобы определить влияние дрожжевой микробиоты и отдельных ее компонентов, таких как дрожжи Starmerella bacillaris, Zygosaccharomyces bailii и Saccharomyces cerevisiae, на ПЖ и плодовитость дрозофил. В эксперименте использованы две линии дрозофил: с естественной (Мн) и обеднённой (Мбд) дрожжевой микробиотой. Когорты мух из этих линий тестировались либо на корме без живых дрожжей, либо на корме, засеянном одним из трёх видов исследуемых дрожжей (рис. 1).

Наибольшей ПЖ обладали те мухи Мбд, которые не получали живых дрожжей с кормом, и их микробиота продолжала быть обеднённой. Любое «добавление» дрожжей, будь то из естественной микробиоты или из подсева, приводило к сокращению средней ПЖ дрозофил обоих полов. У самцов Мн с естественной микробиотой подсев на корм дрожжей видов S. bacillaris и S. cerevisiae привел к еще большему сокращению ПЖ (эффект статистически значим).

Дрожжи вида Z. bailii встречаются в микробиоте некоторых лабораторных линий дрозофил. Их подсев оказывает влияние на ПЖ, соразмерное влиянию естественной микробиоты, характерной для линии Мн, но при этом значительно повышает плодовитость самок. Можно предположить, что такой результат связан с длительной коэволюцией дрожжей вида Z. bailii с D. melanogaster.

Соотношение изменения ПЖ и плодовитости согласуется с идеей эволюционного компромисса: жившие дольше всех дрозофилы откладывали яйца в значительно более позднем возрасте (пик в районе 40 дней от выхода из куколки), а в тех вариантах теста, где мухи имели меньшую среднюю ПЖ, пик репродукции приходился на более молодой возраст (около 30 дней). То есть внесение живых дрожжей в микробиоту дрозофил привело к сдвигу репродукции на более ранний возраст. Однако за более короткую жизнь мухи с дрожжевой микробиотой откладывали значимо больше яиц, чем долгоживущие мухи с обедненной микробиотой, вследствие чего первые имели более высокую приспособленность, чем их “бездрожжевые” собратья. Вероятно, это объясняет устойчивую в эволюционном масштабе ассоциацию дрозофил и их дрожжевой микробиоты.

Измерение ПЖ и плодовитости мух было дополнено микробиологическим анализом дрожжевого сообщества, которое развивалось на корме, освоенном мухами, во всех вариантах тестирования. Посевы образцов обжитого корма показали, что микробиота извне (контаминация) не попала ни в один из вариантов теста. В вариантах теста с линией Мн высевается естественная микробиота, характерная для этой линии, и те виды дрожжей, что были подсеяны на корм. В варианте теста с линией Мбд без подсевов живых дрожжей на корм – дрожжи не высеваются вовсе. Однако в тестах линии Мбд подсев на корм любого из трех видов дрожжей привел к тому, что с обжитого корма стабильно выделяются дрожжи Pichia occidentalis, характерные для микробиоты предковой линии. Можно предположить, что они сохранялись в организме мух Мбд в неактивном состоянии и их рост был индуцирован появлением другого вида дрожжей. Подобный индукционный эффект ранее был описан у прокариот (Epstein, 2013; Harcombe et al., 2018). Полученные данные свидетельствуют о сложности и многогранности взаимоотношений между компонентами микробиоты организма хозяина и перспективность дальнейшего исследования взаимосвязей дрозофилы и ассоциированных с ней микроорганизмов.

Следите за результатами долгосрочного эксперимента на кафедре биологической эволюции на страницах «Элементов большой науки»:
1. «Скажи мне, кто твой друг… Как микробиота, ассоциированная с дрозофилами, делает их долгожителями»
2. «Гибко меняющееся дрожжевое сообщество - залог успеха адаптации дрозофил к повышению солености»
3. «Симбиотические дрожжи помогают дрозофилам адаптироваться к соленому корму»
4. «Мухи, приспособленные к неоднородной среде, получают эволюционное преимущество»
5. «В меню плодовой мушки может появиться... соленый огурец!»
6. «Неадаптивная фенотипическая пластичность затрудняет видообразование»
7. «Успех адаптации мух Drosophila melanogaster к избытку соли в корме зависит от дрожжей определенного вида»