Прогулка в парке привела к биологическому открытию
Исследователи из Университета Аризоны обнаружили новую модель для изучения эволюционной «гонки вооружений» между насекомыми-вредителями и растениями-хозяевами. Система состоит из растения Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля, сорное растение семейства капустных) и мухи Scaptomyza flava, тесно связанной с классической моделью Drosophila melanogaster.
Ключевая находка
До этого открытия учёным не хватало генетически управляемой модели для изучения взаимодействий «растение–насекомое» на молекулярном уровне. D. melanogaster питается гниющими фруктами и не атакует Arabidopsis.
Муха S. flava оказалась идеальным кандидатом:
- Она филогенетически близка к D. melanogaster и разделяет большинство её генов.
- Это настоящий фитофаг: самки прокалывают лист и откладывают яйца внутрь ткани.
- Вылупившиеся личинки ведут образ жизни минеров, прокладывая ходы внутри листа и питаясь растительной тканью.
Открытие и создание модели
Систему обнаружил энтомолог Ной Уайтмен, найдя мины в листьях растения Barbarea vulgaris (сурепка обыкновенная) в парке Кембриджа (Массачусетс). Выведенные из листьев мухи успешно атаковали Arabidopsis в лаборатории.
Чтобы подтвердить полезность системы, команда исследовала защитные реакции растения и ответ насекомого:
- Защита растения: Arabidopsis усиливает выработку белков, которые нарушают работу пищеварительного тракта личинок. Личинки хуже развивались на диких растениях по сравнению с мутантными, неспособными производить эти защитные белки.
- Ответ насекомого: Исследователи проверили
активность генов детоксикации у S. flava, известных из
работ с Drosophila.
- При выращивании на «беззащитных» мутантных растениях мухи снижали экспрессию генов детоксикации.
- На растениях с intact defenses эти гены, напротив, активировались.
Генетический анализ и перспективы
Команда секвенировала активные гены у личинок, выращенных на растениях с разной защитной способностью, получив миллиарды пар оснований данных. Было идентифицировано 400–500 генов, экспрессия которых значимо индуцировалась в зависимости от типа растения-хозяина.
Это открытие создаёт основу для ответа на фундаментальные вопросы:
- Какова функциональная роль выявленных генов у насекомого?
- В чём конкретная цена детоксикации для фитофага?
- Почему образ жизни минера независимо эволюционировал около 25 раз лишь в некоторых отрядах насекомых (жуки, бабочки, перепончатокрылые)?
S. flava и A. thaliana теперь представляют собой новую модель («лабораторную крысу») для детального изучения молекулярных и экологических аспектов коэволюции растений и насекомых.