Гібридизація підвищує здатність до розселення жуків-зерновок

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 65

Ріс. 1. Чотирип’ятнисті зернівки на коров’ячому гороху в експериментальній чашці Петрі. Малюнок з синопсису до обговорюваної статті в Journal of Animal Ecology

Генетика інвазивних видів давно цікавить еволюційних екологів. Група американських дослідників на прикладі шкідників сільського господарства — жуків-зернівок — експериментально показала, що злиття двох або більш генетично різнорідних популяцій одного виду призводить до збільшення швидкості і дальності розселення. Передбачається, що це пов’язано з явищем гетерозису — збільшенням життєздатності при спадкуванні нащадками генів від різнорідних батьків. Це перше дослідження, яке показало, що гібридизація може впливати на успішність розселення інвазивних видів.

Інвазивним видам тварин властиве швидке розселення. Ці види широко поширюються в результаті діяльності людини — наприклад, серед них багато шкідників сільського господарства. Тому їхнє вивчення має важливе практичне значення. Одним з головних питань для вчених є генетичні механізми, що визначають успішність розселення таких видів, зокрема те, як впливає на розселення гібридизація — об’єднання в одній клітині різнорідного генетичного матеріалу.

З гібридизацією пов’язане і явище гетерозису — збільшення життєздатності гібридів через спадкування ними різних алелей від різнорідних батьків. Людина давно використовує гетерозіс у своїй практиці. Один з найвідоміших прикладів — це витривалі працюючі мули, що представляють собою результат схрещування осла і кобили. Термін гетерозіс може бути застосований і до тварин одного виду. Йдеться про підвищену життєздатність, наприклад, нащадків батьківських особин, що належать до різних популяцій. Цікаве питання полягає в тому, чи грає гетерозіс яку-небудь істотну роль в дикій природі? Адже, в принципі, різні популяції одного і того ж виду в силу збігу обставин можуть вступати в просторовий контакт і змішуватися один з одним. Причому найбільш часто це відбувається, коли вони починають розширювати область свого поширення і займати перш незаселені угіддя. У результаті дві або кілька популяцій можуть зустрітися і змішатися.

Група біологів з Техасу (США) вирішила з’ясувати, чи може гібридизація впливати на швидкість і дальність розселення. Об’єктом дослідження вчених був обраний невеликий жук — чотирип’ятниста зернівка (Callosobruchus maculatus) (рис. 1) з сімейства листоїдів (Chrysomelidae). Це поширений по всьому світу шкідник зерносховищ (віддає перевагу бобовим культурам), а також модельний об’єкт для досліджень просторової структури популяцій і розселення. Дорослі жуки живуть всього близько тижня і в цей час не харчуються. Шкідниками є личинки, які, з’явившись з яєць, впроваджуються всередину боба і харчуються ім. Період життя зернівок (від появи яйця до смерті дорослої комахи) досить короток і становить в середньому 32 дні.

Експеримент проводився в лабораторії. Тут вчені працювали з жуками-зернівками, привезеними з різних країн. Жуків містили на коров’ячому гороху, або вігні китайської (Vigna unguiculata), — улюбленому об’єкті живлення чотирип’ятнистої зернівки. Особини з різних популяцій помітно різнилися за молекулярно-генетичними ознаками і деталями фенотипу (див. також M. Tuda et al. 2014. Global genetic differentiation in a cosmopolitan pest of stored beans: effect of geography host-plant usage and anthropogenic factors), проте вільно схрещувалися між собою.

Експериментальний «ландшафт» для моделювання розселення жуків складався з 48 чашок Петрі, послідовно з’єднаних скляними трубками в єдине коло. Через трубки комахи могли розселятися від чашки до чашки. Життєвий цикл жуків (що триває, як вже було сказано, 32 дні) був розділений на два відрізки: першу добу дорослим особам дозволяли розселятися по чашках Петрі, а на наступні 31 день комаху поміщали (разом з іншими жуками) в іншу чашку Петрі, звідки жуки нікуди розселятися не могли і займалися розмноженням. Там же з відкладених яєць розвивалися личинки. Після досягнення ними дорослого стану цих жуків наступного покоління знову на добу поміщали в експериментальний «ландшафт» і потім кількісно оцінювали їх розселення. Така процедура повторювалася протягом шести поколінь. Причому кожне наступне покоління висаджували в експериментальному «ландшафті» в найдальшу з чашок Петрі, куди встигли розселитися їхні батьки.

Походження жуків, що склали експериментальні групи (всього їх було 28) показано на рис. 2. Вчені використовували 10 груп, що включали жуків з однієї популяції (групи 1-10), і по шість груп, порівну складених з представників двох (групи 11-16), чотирьох (17-22) і шести (23-28) популяцій.

Ріс. 2. Експериментальні групи, складені з жуків однієї, двох, чотирьох і шести популяцій. Сірим виділені квадрати, що відповідають популяціям, що входять до складу даної експериментальної групи. А — Бенін, B — Бразилія, C — Каліфорнія, D — жуки з культури Міжнародного інституту тропічного сільського господарства (International Institute of Tropical Agriculture), E — Малі, F — Нігерія, G — південна Індія, H — Уганда, I — Буркіна-Фасо, J — Єємен. Малюнок з обговорюваної статті в Journal of Animal Ecology

Виявилося, що жуки з груп, складених з комах однієї популяції, розселялися з меншою швидкістю, ніж ті, які походили з двох, чотирьох або шести популяцій. Останні три групи між собою не різнилися (рис. 3).

Рис, 3. Дистанція розселення (вимірювана серед пройдених чашок Петрі) у жуків різних експериментальних груп у шести послідовних поколіннях. Малюнок з обговорюваної статті в Journal of Animal Ecology

Вчені вважають, що підвищення здатності до розселення може бути пов’язане з явищем гетерозису. Цей ефект показано вперше. Хоча це, загалом, очікувано: нескладно припустити, що більш життєздатні «гетерозісні» особини будуть розселятися далі, ніж їх більш «хилі» побратими.

Показаний в лабораторії ефект може відігравати важливу роль і в природних умовах і повинен враховуватися при боротьбі зі шкідниками сільського господарства. Уявімо собі таку ситуацію. Живе на полі якийсь шкідник, і його чисельність так чи інакше стримують. Але якщо на це поле випадково потрапить той же вид, але з іншої, віддаленої місцевості (наприклад, з посівним матеріалом), схрещення двох різних популяцій може призвести до збільшення здатності до розселення і, як результат, до збільшення чисельності шкідника за рахунок завоювання ним нових просторів. Так що дане дослідження чудово поєднує в собі фундаментальну і практичну значимість.

Джерело: 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.

Олексій Опаєв