Группа видов Drosophila quinaria | |
---|---|
Дрозофила иннубила | |
Научная классификация | |
Домен: | Эукариоты |
Королевство: | Анималия |
Тип: | Членистоногие |
Сорт: | Насекомые |
Заказ: | Двукрылые |
Семья: | Дрозофилиды |
Подсемейство: | Дрозофилины |
Род: | Дрозофила |
Подрод: | Дрозофила |
Видовая группа : | кинарий |
Виды [1] [2] | |
|
Группа видов Drosophila quinaria — это видовая линия грибоядных мух, изучаемая на предмет их особой экологии, паразитов, популяционной генетики и эволюции иммунной системы. Виды Quinaria являются частью подрода Drosophila .
Виды группы Quinaria обычно встречаются на лесных грибах и могут метаболизировать токсичные соединения в грибах Amanita , [3] такие как иботеновая кислота и альфа-аманитин . [4] [5] Грибные участки также являются местом обитания ряда естественных врагов. Например, вследствие своей грибопитательной экологии виды Quinaria часто заражаются нематодами рода Howardula . [6] Некоторые виды Quinaria более или менее восприимчивы к паразитированию нематод, хотя иммунологические причины остаются неясными. Одной из возможностей объяснить эту дисперсию являются различия в защитных бактериальных симбионтах. [7] Однако другой причиной может быть использование природных ресурсов, поскольку большинство эукариот неспособны противостоять токсинам в грибах Amanita , и, таким образом, развитие в этих токсичных грибах защищает мух от паразитизма. [5]
Предок видов Quinaria и родственных мух, вероятно, переключился с универсальной экологии на исключительно грибоедов. Оттуда появились различные грибоядные линии, некоторые из которых вернулись к питанию гниющей растительностью, [8] например, Drosophila quinaria . Понимание эволюционных сил, которые способствовали образу жизни, питающемуся грибами, или возврату к более универсальной экологии, может помочь понять такие концепции, как видообразование и генетика адаптации.
Виды группы Quinaria, такие как Drosophila falleni, привлекаются к грибным местам, улавливая специфические запахи, которые распространены в гниющих грибах, таких как 1-пентанол , 1-октен-3-ол и 3-метил-1-бутанол . По сравнению с Drosophila melanogaster , D. falleni привлекаются гораздо более специфическими запахами гниющих грибов. Когда D. falleni заражаются нематодами Howardula , инфицированные мухи становятся более отталкивающими к ацетатсодержащим соединениям, таким как этилацетат или пропилацетат . И наоборот, инфицированные мухи становятся более привлекательными к 1-нонанолу . Это наблюдение связывает изменение поведения со статусом инфекции, в частности, определяя соединения, к которым муха становится более или менее отталкивающей. Сравнение между питающимися грибами Drosophila и D. melanogaster , а также между паразитическими нематодами Howardula , специфичными для грибов, и нематодами -генералистами может дать представление о том, как взаимодействие хозяина и патогена изменяет обонятельные предпочтения. [9]
Данные филогенетических исследований показывают, что группа Quinaria может быть парафилетической , включающей две клады . Однако различные методы филогенетического анализа дают разные результаты, поэтому точная систематика группы Quinaria до сих пор полностью не подтверждена. [8] [6] [10]
ASTRAL [11] филогенетическая топология кладограммы от Скотта Чиалво и коллег (2019). [8]
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Виды Quinaria связаны с группами видов Drosophila cardini , Drosophila bizonata и Drosophila testacea . [8] Эволюционные исследования этих различных грибоядных Drosophila способствовали пониманию того, как симбиотические бактерии могут радикально влиять на эволюцию хозяина, [12] влияние различных генетических элементов в природных популяциях, [13] [14] и видообразование. [15] [16]
Различные виды группы Quinaria внесли свой вклад в генетические исследования различными способами. На данный момент были секвенированы геномы четырех видов Quinaria: D. guttifera , D. innubila , D. quinaria и D. palustris. Дополнительные данные о последовательностях были получены для Drosophila falleni и Drosophila phalerata . Геном D. innubila был секвенирован для исследования в 2019 году и может похвастаться очень полной сборкой, соперничающей с классической генетической моделью Drosophila melanogaster . [17] В сентябре 2020 года исследование коммуникации половых феромонов Drosophila позволило секвенировать геномы D. quinaria и D. palustris, а также многих внешних групповых линий группы видов Quinaria. [18]
Узор крыльев Drosophila давно представляет интерес для эволюционных биологов, поскольку понимание генетических изменений, лежащих в основе узора крыльев, помогает понять, как эволюция может действовать для продвижения новых конструкций. Drosophila guttifera («плодовая мушка в горошек») имеет заметные точечные узоры на крыльях, состоящие из черного меланина . Различные вариации этих точечных узоров встречаются у разных видов группы Quinaria, начиная от одного пятна меланина на полосе крыла у передней реберной жилки у D. innubila и заканчивая двумя пятнами на полосе крыла у D. phalerata и заметными горошинами у D. guttifera . Одним из методов изучения этих узоров было сравнение регуляции генов среди разных видов Drosophila . Сигнальный путь Wnt у Drosophila регулирует развитие крыльев. В пути Wnt ген Wingless кодирует лиганд , участвующий в локальном развитии синтеза меланина в крыле. [19] Другие гены в сигнальном пути Wnt, такие как yellow и ebony, также участвуют в регуляции меланина. Исследования на основном генетическом модельном организме Drosophila melanogaster - это то, как впервые заподозрили сигнальный путь Wnt. Эти исследования вовлекли гены, такие как Wingless, в развитие крыльев через мутации в сигнальном пути Wnt и гене Wingless . После этого исследования на разных видах, таких как Drosophila biarmipes и Drosophila guttifera, выявили различные паттерны экспрессии гена yellow . [20] В результате этих сравнительных исследований и благодаря привлекательному рисунку крыльев, D. guttifera теперь используется в качестве сравнительной модели для понимания взаимодействия генных сетей между генами Wingless , yellow и другими сигнальными генами Wnt. Понимание того, как эти сети взаимодействуют для регулирования рисунка крыльев, также помогает ученым понять, как работают сети регуляции генов в других системах, таких как здоровье или развитие. Использование заметных паттернов, таких как распределение горошка на крыльях, делает понимание общих принципов регуляции генов более доступным.
В 2015 году геном Drosophila guttifera был секвенирован лабораторией Шона Б. Кэрролла, что дало ответ на вопрос о том, как у этого вида возникают различные узоры крыльев. Авторы обнаружили, что дополнительные копии генетических переключателей, называемых « энхансерами », управляют узором в горошек на крыльях D. guttifera . [21] Эти энхансеры были подмножеством цис-регуляторных элементов . Таким образом, новые эволюционные узоры могут возникать без модификации активного гена, вместо этого модифицируя существующие области энхансеров. Это приводит к различным узорам экспрессии генов, в случае D. guttifera , что приводит к различным узорам на его крыльях. [19]
Видообразование описывает ситуацию, когда две популяции расходятся настолько, что их можно считать разными видами, часто потому, что они больше не могут успешно размножаться друг с другом. Этот процесс интуитивно понятен для таких ярких примеров, как кольцевые виды , когда популяция разделяется из-за географического барьера, например горного хребта, что приводит к аллопатрическим популяциям. Однако то, почему виды расходятся, когда их географические ареалы перекрываются ( симпатрическое видообразование ), изучено меньше.
Родственные виды Drosophila subquinaria и Drosophila recens пересекаются в географическом ареале и способны к гибридизации , то есть они могут успешно размножаться друг с другом; [15] однако потомство очень болезненно. Таким образом, эти два вида почти полностью репродуктивно изолированы, несмотря на перекрытие в географическом ареале. Одной из причин этого является поведение, обусловленное феромонами . Самки D. subquinaria легко избегают спаривания с самцами других видов, но, что удивительно, самки D. subquinaria также избегают спаривания с самцами того же вида в аллопатрических популяциях. Однако самки D. recens не различают самцов из разных популяций. Феромоны в кутикуле самцов различаются в разных географических ареалах D. subquinaria , что, возможно, объясняет, как самки различают самцов из разных популяций. [15] Бактериальный симбионт Wolbachia распространен в популяциях D. recens и вызывает цитоплазматическую несовместимость при скрещивании самцов D. recens и самок D. subquinaria . [22] Это привело к тому, что самки D. subquinaria, находящиеся в симпатрии с инфицированными Wolbachia D. recens, стали более разборчивыми при выборе партнера , в то время как самки D. subquinaria , не находящиеся в симпатрии с D. recens, не делают этого различия. [22]
Комплекс видов D. subquinaria становится все более сложным для интерпретации из-за постоянного потока генов между D. recens и D. subquinaria . [23] Помимо этих двух видов, Drosophila transversa также способна к гибридизации как с D. subquinaria , так и с D. recens . [24] Гинзберг и коллеги [25] показали, что направление потока генов смещено от D. recens в симпатрические популяции D. subquinaria . Это, вероятно, связано с возросшим однонаправленным успехом спаривания между самками D. recens и самцами D. subquinaria в симпатрии, но также может зависеть от эффективности, с которой X-хромосома D. recens действует в генетическом фоне D. subquinaria . [25] [26]
У D. recens также есть искажающая соотношение полов X-хромосома , которая может влиять как на видообразование между D. recens и D. subquinaria , так и на отбор в популяциях D. recens в целом. Эта эгоистичная X-хромосома является одним из ряда эгоистичных генетических элементов в группах видов Quinaria и Testacea Drosophila . [13] [14] [27] У D. recens самки с двумя копиями эгоистичной X-хромосомы бесплодны, в то время как у самцов снижена фертильность. Эти пагубные эффекты компенсируются преимуществом передачи, которое X-хромосома имеет у самцов, где она убивает все сперматозоиды, несущие Y-хромосому, оставляя этого самца отцов только эгоистичных дочерей, несущих X-хромосому, которые, в свою очередь, производят больше сыновей, которые снова будут отцовствовать только дочерей. [27]
Большая часть работы, характеризующей видообразование subquinaria-recens, основана на работе, начатой в 1970-х годах Джоном Джейнике и его коллегами-исследователями. [28] [29]
Симбиоз относится к взаимодействиям между живыми организмами. Эти взаимодействия могут варьироваться от паразитизма до взаимной выгоды. Часто то, следует ли что-то считать паразитом или полезным симбионтом, зависит от контекста. Например, репродуктивные манипуляторы, такие как бактерии Spiroplasma, могут убивать сперму своих хозяев, чтобы принести пользу симбионту за счет хозяина. Но эти же бактерии могут защищать хозяина от иммунного вызова со стороны паразитов.
Бактериальные эндосимбионты — это бактерии, которые живут внутри компартментов хозяина, например, внутри клеток хозяина или в крови. Эндосимбионты широко распространены среди насекомых. Бактериальный симбионт Wolbachia заражает от 20 до 70% всех насекомых, в то время как Spiroplasma встречается примерно у 10% Drosophila . Эти эндосимбионты могут иметь ряд различных последствий от цитоплазматической несовместимости , убийства самцов , феминизации или защитного симбиоза . [30] [31]
Wolbachia — наиболее распространенный из бактериальных эндосимбионтов у насекомых и членистоногих. Бактерии Wolbachia являются дальними родственниками митохондрий и, как и митохондрии, живут внутри клеток хозяина. Также, как и митохондрии, Wolbachia наследуются через самок, поэтому сыновья и дочери наследуют Wolbachia почти исключительно от своих матерей. Wolbachia также обычно называют репродуктивными паразитами. У разных насекомых и членистоногих Wolbachia манипулируют размножением хозяина, чтобы увеличить количество самок в популяции. Это приносит пользу Wolbachia , поскольку они передаются от матерей к их потомству. [32]
Drosophila recens обычно инфицирована бактериальным эндосимбионтом Wolbachia , который вызывает цитоплазматическую несовместимость . Самки, инфицированные этой Wolbachia, могут легко спариваться с любым самцом, независимо от статуса заражения самца Wolbachia . Однако неинфицированные самки не могут спариваться с инфицированными самцами. Таким образом, заражение Wolbachia в популяции ставит неинфицированных самок в невыгодное положение при спаривании, поскольку некоторая часть их спариваний не даст потомства. Более того, неинфицированные самки вкладывают ресурсы в развитие нежизнеспособных яиц, что еще больше снижает репродуктивную пригодность неинфицированных самок. [15] Wolbachia от Drosophila, способные к цитоплазматической несовместимости, изучаются на предмет их потенциала для внедрения лабораторно выращенных организмов для биологического контроля, таких как комары, которые не переносят вирус денге, возбудитель лихорадки денге . [33]
Drosophila innubila — это вид, обычно зараженныйбактериальным эндосимбионтом Wolbachia , который вызывает убийство самцов . Убийство самцов приводит к тому, что потомство мух оказывается полностью самками, биологический пол с более высокой репродуктивной способностью. Таким образом, хотя это уменьшает количество жизнеспособных яиц, которые может произвести инфицированная самка, эта Wolbachia распространяется в популяции из-за повышенной репродуктивной способности самок по сравнению с самцами. Самки мух откладывают сотни яиц в течение своей жизни и могут хранить сперму в специализированном органе, называемом сперматекой . Таким образом, самкам не нужно спариваться неоднократно, чтобы успешно производить яйца. Между тем, самцы сначала должны успешно спариться с самкой, а затем также выиграть битвы с другими самцами посредством конкуренции спермы , что является ярким примером полового отбора . [34]
Drosophila innubila также часто заражается двухцепочечным ДНК-вирусом Drosophila innubila nudivirus (DiNV), последствия которого неизвестны. [35] Было показано, что некоторые Wolbachia могут защищать своих хозяев от вирусной инфекции, что даже приводит к стратегиям биологического контроля, которые используют инфекцию Wolbachia для подавления распространения вирусных заболеваний. [36] Какую роль (если таковая имеется) Wolbachia играет в защите от DiNV, неясно.
Spiroplasma sp. — это унаследованные бактериальные симбионты, которые защищают мух от паразитов, таких как осы или нематоды. [37] До сих пор Spiroplasma была выделена из одного вида группы Quinaria, Drosophila tenebrosa . В то время как Spiroplasma мух Drosophila обычно происходитиз кладов poulsonii или citri , Spiroplasma D. tenebrosa сильно отличается и в настоящее время классифицируется в своем собственном кладе. В то время как Spiroplasma Drosophila melanogaster также может проявлять способность убивать самцов , Spiroplasma D. tenebrosa этого не делала. [38] Возможно, что эта Spiroplasma защищает D. tenebrosa от паразитов, поскольку наблюдался горизонтальный перенос защитных генов среди Spiroplasmas грибоядных мух, даже среди разных кладов Spiroplasma , которые заражают очень разные группы мух. [39]
То, как животные выбирают и формируют свою микробиоту , представляет большой интерес для ряда исследовательских областей, особенно в плане последствий для здоровья человека и животных. [40] Как мощный модельный организм для генетики, кишечный микробиом D. melanogaster был широко исследован. Распространенные виды в этом микробиоме включают виды Lactobacillus plantarum и Acetobacter , которые очень полезны для развития мухи.
Ни один из видов бактерий не распространен среди 100% видов Drosophila , хотя несколько видов присутствуют во многих кишечных микробиомах Drosophila, проверенных на данный момент. [41] [42] В то время как большинство видов Quinaria питаются гниющими грибами, изобилующими бактериями, кишечный микробиом этих грибоядных мух резко отличается по составу от бактериальных сообществ на грибах, которые они посещают. Это говорит о том, что муха-хозяин может выборочно включать полезные бактерии в свой кишечный микробиом и отвергать неполезные бактерии. [43] Механизм, лежащий в основе того, как грибоядные мухи могут выборочно поддерживать свою кишечную микробиоту, несмотря на питание гниющими грибами, до сих пор неясен. Сравнения между ассоциациями других видов группы Drosophila и Quinaria могут дать представление как о механизмах хозяина, так и о бактериальных механизмах, необходимых для создания стабильного бактериального сообщества.
Питающиеся грибами дрозофилы обычно заражены нематодами и паразитическими осами. Они представляют собой серьезные проблемы для иммунной системы хозяина, оказывая значительное влияние на его приспособленность и плодовитость. [6]
Многие виды группы Quinaria заражены паразитическими нематодами рода Howardula , [6] особенно Howardula aoronymphium . Заражение этими нематодами может стерилизовать мух или изменить их обонятельные предпочтения. [9] Некоторые виды группы Quinaria более или менее восприимчивы к различным паразитам нематод. Например, D. falleni и D. neotestacea стерилизуются нематодами Howardula aoronymphium , в то время как родственные виды сопротивляются заражению. [6] Эта стерилизация связана с уменьшением экспрессии генов, участвующих в развитии яиц, и увеличением путей синтеза кутикулы. [44] Питающиеся грибами дрозофилы используются в качестве модели для понимания генетической основы восприимчивости или устойчивости к нематодам, что может привести к лучшему пониманию того, как врожденная иммунная система реагирует на паразитов нематод. Следует отметить, что хотя Drosophila melanogaster имеет чрезвычайно хорошо охарактеризованную иммунную систему и может похвастаться мощными генетическими инструментами, ни один паразит-нематода естественным образом не заражает D. melanogaster . Это затрудняет использование Drosophila в качестве модели для изучения взаимодействия нематод и врожденной иммунной системы . [44] [45]
Грибоед Drosophila также часто паразитирует на паразитоидных осах, таких как Leptopilina sp. Эти осы заражают личинку мухи, вставляя свой яйцеклад в личинку и откладывая яйцо внутрь. Личинки ос вылупляются внутри хозяина и остаются относительно безвредными до окукливания мухи. Это связано с тем, что личинке осы требуется, чтобы личинка мухи развивалась до точки окукливания, чтобы сама оса могла метаморфозировать внутри пупария вместо мухи. Этот процесс в конечном итоге убивает муху, которую пожирает развивающаяся оса. Паразитические осы также часто вводят токсины или даже вирусоподобные частицы вместе со своими яйцами, которые подавляют иммунный ответ хозяина, чтобы увеличить успех личинки осы. [46] [47] В ответ иммунная система мухи пытается инкапсулировать вторгшуюся личинку осы и атакует ее, используя реакцию меланизации насекомых. У D. melanogaster специализированные клетки крови, называемые ламелоцитами, регулируют локальный синтез меланина во время формирования капсулы. [48] Однако эти клетки крови отсутствуют у других видов Drosophila . [49] Несмотря на это, эти другие виды Drosophila могут тем не менее подавлять развитие ос с помощью неизвестных иммунных механизмов, хотя восприимчивость варьируется в зависимости от вида мухи и вида осы. У некоторых видов бактериальный симбионт Spiroplasma защищает родственную грибоядную Drosophila от паразитирования ос, используя токсины, которые избирательно убивают личинку осы, но не муху-хозяина, взаимодействие, хорошо охарактеризованное с помощью сравнений между Spiroplasma из D. melanogaster и грибоядной Drosophila neotestacea . [50]
Различные паразитические клещи также распространены в местах произрастания грибов. Клещи — это внешние паразиты, которые прикрепляются к брюшку мухи и питаются гемолимфой . Укусы клещей или паразитических ос являются естественным механизмом для внесения инфекций. Они также могут служить механизмом для внесения и распространения бактериальных эндосимбионтов между различными видами мух. [51]
Геном D. innubila был секвенирован в 2019 году и подчеркнул важность взаимодействия между D. innubila и его вирусами, как следует из моделей иммунной эволюции в противовирусных генах. Примечательно, что естественный отбор на пути иммунитета и противовирусных путей у D. innubila заметно отличается от D. melanogaster , что подразумевает расходящиеся эволюционные давления. [17] ДНК -нудивирус D. innubila (DiNV) похож на вирус Каллитея D. melanogaster . [52] Таким образом, сравнения между D. melanogaster и D. innubila и их вирусами обещают дать информацию о природе взаимодействий хозяина и вируса. [17]
Ген антимикробного пептида диптерицина B был псевдогенизирован в двух независимых линиях питающихся грибами плодовых мушек : вид группы Quinaria Drosophila guttifera и более отдаленно родственный Drosophila neotestacea . [53] Диптерицин B сохраняется во всех других видах Drosophila, однако эти два события псевдогенизации у мух, размножающихся грибами, были независимыми, что предполагает, что диптерицин B активно теряется у этих видов. Однако диптерицин B сохраняется у Drosophila innubila и остается транскрипционно активным . Также кажется, что неродственные плодовые мушки Tephritid независимо вывели ген диптерицина, поразительно похожий на ген диптерицина B у Drosophila . Эти эволюционные закономерности у размножающихся грибами Drosophila и других плодовых мушек предполагают, что эффекторы иммунной системы (например, антимикробные пептиды) напрямую формируются экологией хозяина. [54]
Диптерицины являются важными иммунными молекулами для защиты от бактерий Providencia , [55] [56] и Диптерицин B также, как было показано, влияет на формирование памяти у Drosophila melanogaster . [57] Потеря Диптерицина B у этих мух, размножающихся грибами, подразумевает, что эта иммунная молекула не важна для экологии мух, питающихся грибами, но каким-то образом важна для других плодовых мушек рода Drosophila . [54]