Чрез инженерни мутации на плодовите мухи учените реконструират как ярко оранжевите пеперуди са понасяли токсините от млечни водорасли

отровно

"data-newsletterpromo_article-image =" https://static.sciachingamerican.com/sciam/cache/file/CF54EB21-65FD-4978-9EEF80245C772996_source.jpg "data-newsletterpromo_article-button-text =" Регистрация "data-newsletterpromo_art button-link = "https://www.sciachingamerican.com/page/newsletter-sign-up/?origincode=2018_sciam_ArticlePromo_NewsletterSignUp" name = "articleBody" itemprop = "articleBody">

За повечето животни растението млечни водорасли далеч не е апетитно: Съдържа неприятни токсини, наречени карденолиди, които могат да накарат съществата да повърнат и, ако погълнат достатъчно, да накарат сърцата им да избият извън контрол.

И все пак някои насекоми изглеждат напълно обезсърчени от мощната отрова. Цветните гъсеници на пеперудата монарх, например, поглъщат млечни водорасли с удоволствие - всъщност това е единственото нещо, което някога ядат. Те могат да понасят този източник на храна поради особеност в изключително важен протеин в телата им, натриева помпа, която карденолидните токсини обикновено пречат на.

Всички животни имат тази помпа. Това е от съществено значение за физиологичното възстановяване след свиване на клетките на сърдечния мускул или избухването на нервните клетки - събития, които се задействат, когато натрият се налива в клетките, причинявайки електрически разряд. След приключване на изпичането и свиването клетките трябва да се почистят и така да включат натриевите си помпи и да изхвърлят натрия. Това възстановява електрическия баланс и възстановява клетката до обичайното й състояние, отново готова за действие.

Карденолидите са вредни, защото се свързват с ключови части на тези помпи и им пречат да си вършат работата. Това кара сърцата на животните да бият по-силно и по-силно, често завършвайки със спиране на сърцето.

Но тъй като животните са в постоянна конкуренция за източници на храна, способността да ядат растения, които са токсични за другите, предлага фантастична възможност и много насекоми са развили начини да го направят.

Две статии, едната от които публикувана тази седмица в списание Nature, а другата в eLife в края на август, помагат да се обясни как са се развили подобни адаптации. Чрез прецизни генетични промени учените създадоха плодови мухи (от вида Drosophila melanogaster), чиито ларви оцеляха поредица от ястия на основата на млечни водорасли.

Учените от известно време знаят, че монарсите - и много от другите насекоми от общо шест ордена, които се хранят с млечни водорасли или други растения, произвеждащи карденолиди - имат мутации в поне един от гените, които носят инструкции за направата на натриеви помпи . Някои от тях водят до заместване на една от аминокиселините, от която е изградена помпата - както всички протеини -, което затруднява свързването на карденолидите с нея. Изследователите предположиха, че една или повече от тези промени носят ключа към превръщането на млечните водорасли в приятни, но без да тестват ефекта им върху живи животни, те не могат да знаят със сигурност.

И ако са били необходими повече от една мутация, за да се толерират токсините от млечни водорасли, как се е развила чертата в насекомото? Ако растението е все още токсично след една мутация, какво селективно предимство би осигурила тази първа мутация, за да позволи на насекомо да развие целия набор от необходими промени?

През 2012 г. еволюционният биолог Ноа Уайтман, сега в Калифорнийския университет, Бъркли, и негов колега предложиха в коментар, че може да се отговори на въпроса, като се инжектират мутациите на натриевата помпа на монарха в плодовите мухи. Опитът се оказа всичко друго, но не и лесен: „Нямах представа в какво се забърквам“, казва Уайтман сега. Отне три години да се занимаваш, използвайки техниката за редактиране на гени CRISPR-Cas9, „а след това все още само 1 от 720 мухи ще оцелее“. Ларвите на тези, които са го правили, обаче са могли да ядат млечни водорасли почти като монарх.

В дивата природа плодовите мухи ядат мая, която се намира например върху гниещи плодове. В лабораторията те се хранят със стандартна диета, състояща се от каша от малц, царевично брашно, мая, агар и сироп. За да направят своя експеримент, Уайтман и колегите му завързаха този щапел с доза изсушени, смлени листа от млечни водорасли или пречистени токсини и се опитаха да отгледат различни генетично редактирани щамове мухи на тази диета. Някои мухи са имали една мутация от три, наблюдавани в гена на натриевата помпа на монарси, а някои са имали комбинации.

Работата, докладвана в Nature, показва, че и трите мутации индивидуално увеличават шансовете на плодовите мухи да оцелеят при опасната диета. Но имаше обрат. В случая на две от тези три мутации - тези, които поотделно осигуряват най-голяма токсична резистентност и изглежда се появяват първи и последни в родословното дърво на монарсите - гените, редактирани от гените, са по-податливи на припадъци. Това беше оценено с помощта на стандартен тест, при който мухите в тръба се разклащаха енергично: Мухите, носещи първата или последната мутация, останаха неподвижни много по-дълго след разклащане, отколкото нормалните мухи.

С други думи, „изглежда, че мутациите, защитаващи мухите срещу токсина, създават неврологична уязвимост“, казва Уайтман. Но това не беше така, когато мухите имаха и друга мутация - тази, която вероятно се появи втора по време на еволюцията на токсичната резистентност при монарсите. При мухите, носещи тази комбинация, неврологичната уязвимост изчезна, но устойчивостта на токсини остана.

Това помага да се обясни как адаптацията на млечните водорасли може да се е развила при монарсите, казва Уайтман, който е съавтор на статия за постоянната еволюционна надпревара във въоръжаването между растенията и тревопасните насекоми в Годишния преглед на екологията, еволюцията и систематиката. Последната мутация, която се появява в рода на монарха, е тази, която дава най-голяма устойчивост на карденолиди, въз основа на резултатите от плодовите мухи. И може да има причина, поради която тя излезе последна: присъстваща сама по себе си, тя също би имала най-големия припадъчен ефект, увреждайки монарсите.

„Трябваше да получат мутациите в правилния ред“, казва Уайтман. Първо, мутация на малък ефект би променила структурата на натриевата помпа, за да осигури известна устойчивост, но също така и някои неврологични проблеми. Втората мутация би променила леко структурата на помпата, като по този начин ще реши проблема. По този начин би подготвил условия за третата мутация - тази с най-тежкия антитоксинен ефект. Сама по себе си тази трета мутация би създала непоносими неврологични проблеми. Но с втората мутация, която вече е налице, всичко би било добре или поне много по-добре.

„Биолозите наричат ​​това ограничена адаптивна разходка“, казва Уайтман, „когато една мутация е последвана от друга, в предвидим ред, определяйки вид или повече от един, по траектория към по-висока годност“.

Хопи Хоекстра, еволюционен биолог от Харвардския университет, нарича това едно от любимите си изследвания от дълго време. „За да разберем какво се е случило в миналото, ние до голяма степен разчитаме на организмите, които се срещат днес“, казва тя. „Измервайки взаимодействията между мутациите в един протеин, авторите са представили правдоподобна стъпка по стъпка еволюционна траектория, давайки ни вълнуващ поглед в миналото.“

Откритията се гелират с работа на еволюционния биолог Питър Андолфато от Колумбийския университет, който публикува подобно проучване в eLife в края на август, използвайки различна техника за промяна на гените на мухите. „Резултатите от двете проучвания до голяма степен се подреждат, независимо потвърждавайки, че еволюционните възможности наистина са били донякъде ограничени“ за монарха, казва Андолфато.

Еволюционните иновации на монарсите имаха екологичен ефект. Резистентността към токсина не само отваря изцяло нов източник на храна, но също така позволява на пеперудите да отблъскват хищниците, като съхраняват токсините в телата си.

Птиците са склонни да откриват по трудния начин кои насекоми са неприятни, чрез проби и грешки. Но много токсични насекоми - монарси сред тях - са разработили подобна палитра от предупредителни цветове, така че по-малко от тях трябва да бъдат изядени, за да научат птиците на урок.

„Щом птицата научи, че насекомо, което е ярко жълто, оранжево или червено, вероятно ще има ужасен вкус“, казва Уайтман, „те вероятно ще се държат далеч от всички тях. Тези токсини промениха всичко. "

Тази статия първоначално се появи в списание Knowable, независимо журналистическо начинание от Годишни рецензии. Регистрирайте се за бюлетина.