Разная стратегия защиты приводит к разному эволюционному отклику

Рис. 1. Бактерии Bacillus thuringiensis. Их споры включают кристаллы белков Cry, токсичных для нематод и насекомых. Потому эти бактерии широко используются как средство биоконтроля в растениеводстве. Фото с сайта microbewiki.kenyon.edu

Немецкие ученые поставили эволюционный эксперимент, имитирующий гонку вооружений между хозяином и паразитом. Роль хозяина досталась нематоде Caenorhabditis elegans, а паразита — бактерии Bacillus thuringiensis. Оба исполнителя хорошо известны биологам: первый — это классический модельный объект, а второй используется как эффективное средство биоконтроля численности почвенных нематод и насекомых-вредителей. Последнее определяет практическую актуальность работы. Эксперимент показал, что в условиях приспособления нематод к инсектицидам важно, чтобы гонка вооружений не останавливалась. Тогда бактерии будут избавляться от неэффективных линий, оставляя на передовой лишь наиболее инфекционные, несущие наибольшее число копий генов токсинов. Если хозяин перестает защищаться, то бактерии начинают производить все больше неинфекционных штаммов. Все это важно учитывать при планировании стратегии инсектицидной защиты.

В 70-х годах прошлого века Ли ван Вален (Leigh van Valen) описал эволюционную гонку вооружений. Он назвал это гипотезой Черной Королевы. Суть гипотезы в том, что виду необходимо постоянно совершенствовать свои приспособительные признаки, подгоняя их к меняющейся среде. Если хищник научился быстрее догонять, то гипотетическая жертва вынуждена научиться быстрее убегать, в ответ на что хищник, чтобы не остаться голодным, должен еще поднажать, изобретая еще более эффективные способы охоты, на что жертва, желая остаться в живых, должна найти еще более изощренные способы защиты. И так до бесконечности. Тот, кто первым не выдерживает в этом эволюционном соревновании, вымирает.

Понадобилось около десятка лет, пока эту гипотезу приняло научное сообщество. Потом еще десяток, пока набралось достаточно полевых и экспериментальных данных, подтверждающих повсеместную и безостановочную эволюционную гонку вооружений (см., например, новости Современные паразиты опаснее прошлых и будущих, «Элементы», 12.12.2007 и Разнообразие тропических насекомых поддерживается благодаря узкой специализации паразитов, «Элементы», 18.03.2014). Эта гипотеза стала общепринятой и вошла если не в школьные программы, то в институтские уж точно. Экспериментальные работы на эту тему особенно актуальны в свете изучения различных паразитарных отношений и способов борьбы с ними. Еще бы: стоит научному коллективу предложить эффективный способ избавления от вредителя, как немедленно начинается гонка вооружений. И через непродолжительное время паразит, глядишь, уже приспособился, став невосприимчивым к новому препарату. Чтобы придумать, какие препараты будут действенны, нужно разобраться в конкретных генетических механизмах гонки вооружений. Таких работ пока немного, и именно они определяют следующий, более высокий, уровень понимания этого важнейшего эволюционного процесса. И — как следствие — изготовления новых средств «общения» с разного рода вредоносными сожителями. У нас с ними своя гонка вооружений.

Одна из таких работ представлена командой специалистов из трех германских университетов: Университета имени Христиана Альбрехта (Киль), Тюбингенского университета и Гёттингенского университета имени Георга-Августа. Ученые работали с нематодой Caenorhabditis elegans — излюбленным модельным объектом для различных эволюционных исследований. Нематоду заражали особой бактерией Bacillus thuringiensis, которую широко используют в качестве инсектицида (рис. 1). Эта бактерия, попав в кишечник нематоды или насекомого, разрушает клетки пищеварительного тракта, и вредитель умирает (рис. 2).

Рис. 2. А — нематода, которая поедала обезвреженных бактерий Bacillus thuringiensis, остается здоровой (вверху — общий вид, внизу — участок тела нематоды). В — в норме эта бактерия разрушает нематоду изнутри, растворяя клетки (вверху — умершие нематоды, внизу — участок тела с растворенными внутренними органами, бактерии хорошо видны). Изображение с сайта microbewiki.kenyon.edu

Была поставлена задача смоделировать ход приспособления паразита и хозяина в условиях гонки вооружений, а затем сравнить с результатами одностороннего приспособления, когда эволюционировала только бактерия или только нематода. (Нужно понимать, что в данной модели паразитом считалась бактерия, а хозяином — нематода, хотя на самом деле, с точки зрения агронома, паразит — это нематода, а бактерия — это спасительный биоагент.) Бактерии и нематоды из промежуточных стадий приспособления замораживались, так что можно было посмотреть, как протекал процесс адаптации. А главное, можно было отследить, какие гены изменялись в ходе эволюционного эксперимента.

Сама эволюционная «арена» представляла собой полый прозрачный шарик с плотно закрывающимися половинками (такие шарики называют wormballs). В одной половинке помещалась питательная среда на агаре, и туда сажали нематод и бактерий (смесь нескольких штаммов бактерий и нескольких линий нематод). Покатые стенки шарика не позволяли нематодам расползаться и таким образом избегать заразных пятен.

В эксперименте «гонка вооружений» определенное число (навеску) нематод и бактерий просто пересаживали на новую среду каждые два-три дня. Конечно, пересаживали не просто так, а специальным образом: бактерий снимали с умерших нематод, чтобы обеспечивалось переселение вирулентных микробов (рис. 3). Нематод же выращивали из обеззараженных яиц, чтобы не занести бактерий из прошлых поколений. В модели односторонней эволюции использовался замороженный запас исходных нематод и бактерий. В эксперименте, когда приспосабливались только нематоды, к каждой новой когорте нематод каждый раз подсаживали исходных бактерий, взятых из замороженного запаса. И, напротив, при односторонней эволюции паразита нематоды, взятые из замороженного начального запаса, заражались каждый раз новыми микробами, снятыми с мертвых нематод. В каждом варианте измеряли приспособленность паразитов и хозяев: она оценивались по числу умерших в течение двух суток нематод. Нужно отметить, что такой экспериментальный протокол уже применялся и раньше и показал себя вполне результативным (см. Польза самцов доказана экспериментально, «Элементы», 18.07.2011). Повторю, что главное отличие от предыдущих работ — это анализ генетических изменений в ходе адаптаций. Ну и хорошо продуманные контроли.

Рис. 3. Схематичное изображение эксперимента. Красный цвет — гонка вооружений: приспосабливаются и бактерии, и нематоды. Синий цвет — одностороняя эволюция хозяев, при которой приспосабливаются только нематоды, а источником бактерий служит замороженный исходный запас. Зеленый цвет — одностороняя эволюция паразита, когда приспосабливаются только бактерии, подсаживаемые к исходному набору (смесь из нескольких линий) нематод. Серый цвет — контрольный запас нематод и бактерий. Рисунок из обсуждаемой статьи в PLOS Biology

В ходе эксперимента в течение трех месяцев два раза в неделю специалисты готовили новую среду, возились с выделением и обеззараживанием яиц, выращивали из них личинок для подсадки в прозрачные шары, выделяли и инкубировали бактериальные массивы на жидких средах, замораживали каждую экспериментальную когорту паразитов и хозяев, подсчитывали относительное число умерших нематод. Было сделано по 10 повторов для трех экспериментов и двух контролей (линия нематод без бактерий и линия бактерий без нематод). Вся эта трудоемкая работа шла без остановки — раз уж эксперимент начался, то взять передышку уже никак нельзя. Когда эксперимент закончился, за дело взялись генетики и зоологи: им нужно было оценить резистентность нематод и инфекционную силу бактерий из всех когорт, определить объем изменений в геноме в трех экспериментальных линиях по сравнению с контролями и постараться установить функциональную сторону этих изменений.

Вполне ожидаемо, что при совместной эволюции хозяина и паразита выживаемость (резистентность) нематод в конечном итоге оказалась выше, чем при односторонней эволюции или в контроле без бактерий (рис. 4). Это показывает, что гонка вооружений ускоряет адаптации, делая их существенно более эффективными. Жизнь буквально приговаривает организмы к адаптивному успеху.

Рис. 4. Результаты экспериментальной эволюции в условиях гонки вооружений (красные линии), односторонней эволюции нематод (синие линии) и односторонней эволюции бактерий (зеленые линии). Левый график — выживаемость нематод, центральный — доля незаразных бактерий в когорте (extinct — бактерии, которые оказались не способны к заражению и «вымерли» в экспериментальных чашках Петри), правый — смертность (число летальных исходов нематод) соответствующей бактериальной когорты. Серый цвет — контроль. Графики из обсуждаемой статьи в PLOS Biology

А что же паразиты? Участие в гонке вооружений увеличивает их «убойную силу» по сравнению с контрольной линией бактерий. Но и при односторонней эволюции их смертоносность оказывается примерно на том же уровне, что и в гонке вооружений.

И даже еще интереснее — при односторонней эволюции появляются линии, которые вообще теряют вирулентность. Зато вместо этого они приобретают способность формировать колонии и биопленки, которые помогают бактериям выживать на бедной питательной среде. Похоже, у бактерий имеется множество адаптивных выходов: они могут и увеличивать инфекционность, и вообще от нее отказываться. Отказываются они от инфекционного пути при высокой зараженности нематод. Это ученые доказали, подсчитав инфекционную нагрузку (число бактериальных клеток) в среднем на нематоду. Если она была высокой, то в линии развивались неинфекционные штаммы, предпочитающие колониальное существование. И это можно понять. Ведь изготовление токсинов — это весьма затратное предприятие. В бактериальных частицах кристаллы токсичных белков Cry составляют 20–30% сухого веса. Так что на их производство уходит внушительная часть клеточных запасов. Видимо, в случае высокой зараженности экономнее было свернуть на другой путь питания.

В линиях бактерий, участвовавших в гонке вооружений, из пяти изначально перемешанных штаммов всегда оставался только один. Все остальные штаммы через 2,5 месяца эксперимента исчезали. Оставшийся штамм отличался помимо прочего двумя генами, кодирующими «нематодные» токсины Cry. Изменения в генах cry и сопутствующих участках геномов привели к увеличению числа копий генов токсинов и, соответственно, к увеличению концентрации самих токсинов. Но этот эффект проявился только в условиях гонки вооружений, а в условиях односторонней эволюции бактерий таких изменений не было. Если хозяин пассивен, то и патоген может отказаться от своих инфекционных «амбиций». Он может позволить себе поддерживать генетическое разнообразие, при котором сосуществуют и высоковирулентные, и низковирулентные линии.

В каких случаях оправдана пассивная позиция, а в каких нужно стараться обогнать паразита? Чтобы это понять, надо расшифровать остальные генетические изменения в трансформированных геномах паразитов (выявлено около ста измененных участков, большинство из них с неизвестными функциями), а значит, нужны дальнейшие генетические исследования линий нематод, прошедших через эволюционные эксперименты. Это долгая и затратная работа. Но разбираться придется. Иначе никак не выработать эффективную стратегию защиты (или лучше — взаимодействия) с другими жителями планеты.

Источник: Leila Masri et al. Host–Pathogen Coevolution: The Selective Advantage of Bacillus thuringiensis Virulence and Its Cry Toxin Genes // PLOS Biology. 2015. DOI: 10.1371/journal.pbio.1002169.

Елена Наймарк