13.05.2017

Гибридизация повышает способность к расселению жуков-зерновок

Генетика инвазивных видов давно интересует эволюционных экологов. Группа американских исследователей на примере вредителей сельского хозяйства — жуков-зерновок — экспериментально показала, что слияние двух или более генетически разнородных популяций одного вида приводит к увеличению скорости и дальности расселения. Предполагается, что это связано с явлением гетерозиса — увеличением жизнеспособности при наследовании потомками генов от разнородных родителей. Это первое исследование, показавшее, что гибридизация может влиять на успешность расселения инвазивных видов.

Инвазивным видам животных свойственно быстрое расселение. Эти виды широко распространяются в результате деятельности человека — к примеру, среди них много вредителей сельского хозяйства. Поэтому их изучение имеет важное практическое значение. Одним из главных вопросов для ученых являются генетические механизмы, определяющие успешность расселения таких видов, в частности то, как влияет на расселение гибридизация — объединение в одной клетке разнородного генетического материала.

С гибридизацией связано и явление гетерозиса — увеличение жизнеспособности гибридов из-за наследования ими разных аллелей от разнородных родителей. Человек давно использует гетерозис в своей практике. Один из наиболее известных примеров — это выносливые работящие мулы, представляющие собой результат скрещивания осла и кобылы. Термин "гетерозис" может быть применен и к животным одного вида. Речь идет о повышенной жизнеспособности, например, потомков родительских особей, принадлежащих к разным популяциям. Интересный вопрос состоит в том, играет ли гетерозис какую-либо существенную роль в дикой природе? Ведь, в принципе, разные популяции одного и того же вида в силу стечения обстоятельств могут вступать в пространственный контакт и смешиваться друг с другом. Причем наиболее часто это происходит, когда они начинают расширять область своего распространения и занимать прежде незаселенные угодья. В результате две или несколько популяций могут встретиться и смешаться.

Группа биологов из Техаса (США) решила выяснить, может ли гибридизация влиять на скорость и дальность расселения. Объектом исследования ученых был выбран небольшой жук — четырехпятнистая зерновка (Callosobruchus maculatus) (рис. 1) из семейства листоедов (Chrysomelidae). Это распространенный по всему миру вредитель зернохранилищ (предпочитающий бобовые культуры), а также модельный объект для исследований пространственной структуры популяций и расселения. Взрослые жуки живут всего около недели и в это время не питаются. Вредителями являются личинки, которые, появившись из яиц, внедряются внутрь боба и питаются им. Период жизни зерновок (от появления яйца до смерти взрослого насекомого) довольно короток и составляет в среднем 32 дня.

Эксперимент проводился в лаборатории. Здесь ученые работали с жуками-зерновками, привезенными из разных стран. Жуков содержали на коровьем горохе, или вигне китайской (Vigna unguiculata), — излюбленном объекте питания четырехпятнистой зерновки. Особи из разных популяций заметно различались по молекулярно-генетическим признакам и деталям фенотипа (см. также M. Tuda et al. 2014. Global genetic differentiation in a cosmopolitan pest of stored beans: effect of geography host-plant usage and anthropogenic factors), однако свободно скрещивались между собой.

Экспериментальный «ландшафт» для моделирования расселения жуков состоял из 48 чашек Петри, последовательно соединенных стеклянными трубками в единый круг. Через трубки насекомые могли расселяться от чашки к чашке. Жизненный цикл жуков (длящийся, как уже было сказано, 32 дня) был разделен на два отрезка: первые сутки взрослым особям позволяли расселяться по чашкам Петри, а на следующие 31 день насекомое помещали (вместе с другими жуками) в другую чашку Петри, откуда жуки никуда расселяться не могли и занимались размножением. Там же из отложенных яиц развивались личинки. По достижении ими взрослого состояния этих жуков следующего поколения снова на сутки помещали в экспериментальный «ландшафт» и затем количественно оценивали их расселение. Такая процедура повторялась в течение шести поколений. Причем каждое последующее поколение высаживали в экспериментальном «ландшафте» в самую дальнюю из чашек Петри, куда успели расселиться их родители.

Происхождение жуков, составивших экспериментальные группы (всего их было 28), показано на рис. 2. Ученые использовали 10 групп, включавших жуков из одной популяции (группы 1–10), и по шесть групп, поровну составленных из представителей двух (группы 11–16), четырех (17–22) и шести (23–28) популяций.

Оказалось, что жуки из групп, составленных из насекомых одной популяции, расселялись с меньшей скоростью, нежели те, которые происходили из двух, четырех или шести популяций. Последние три группы между собой не различались (рис. 3).

Ученые полагают, что повышение способности к расселению может быть связано с явлением гетерозиса. Этот эффект показан впервые. Хотя это, в общем, ожидаемо: несложно предположить, что более жизнеспособные «гетерозисные» особи будут расселяться дальше, чем их более «хилые» собратья.

Показанный в лаборатории эффект может играть важную роль и в естественных условиях и должен учитываться при борьбе с вредителями сельского хозяйства. Представим себе такую ситуацию. Живет на поле некий вредитель, и его численность так или иначе сдерживают. Но если на это поле случайно попадет тот же вид, но из другой, удаленной местности (например, с посевным материалом), скрещивание двух разных популяций может привести к увеличению способности к расселению и, как результат, к увеличению численности вредителя за счет завоевания им новых пространств. Так что данное исследование прекрасно сочетает в себе фундаментальную и практическую значимость.

Подготовлено по материалам: Natalie K. Wagner, Brad M. Ochocki, Kerry M. Crawford, Aldo Compagnoni and Tom E.X. Miller. Genetic mixture of multiple source populations accelerates invasive range expansion // Journal of Animal Ecology. 2017. V. 86. P. 21–34.

Алексей Опаев

Источники:

1. elementy.ru