Паразити гірше адаптуються до господарів з рідкісними генотипами

Ріс. 1. Нематода Caenorhabditis elegans, заражена бактеріями Serratia marcescens (червонуваті плями). Фото з сайту coevolving.org

Математичні моделі передбачають, що в популяціях схильних до зараження паразитами організмів перевагу повинні отримати більш рідкісні генотипи. Під час експериментів і спостережень у природі вже були підтверджені багато слідств цього передбачення. Але тільки тепер в експерименті на нематодах Caenorhabditis elegans і бактеріях Serratia marcescens безпосередньо продемонстровано, що відбір на підвищення вірулентності (смертності господарів) призводить до того, що паразити стають менш небезпечними для більш рідкісного генотипу господаря, тим самим даючи йому селективну перевагу.

Вивчення коеволюції паразитів і господарів — хороший приклад того, як у біології переплітаються три методи досліджень: математичні моделі, експерименти та польові спостереження. Жоден з них не може дати остаточної картини без інших, і у кожного є свої переваги і недоліки.

Саме з математичних моделей в коеволюційну біологію прийшло уявлення про негативний частотно-залежний відбір як основну рушійну силу коеволюції паразитів і господарів. У цьому варіанті природного відбору пристосованість того чи іншого генотипу (або фенотипу) негативно пов’язана з частотою, тобто це «відбір на користь рідкісних варіантів». На якісному рівні цю ідею виклав видатний британський біолог Джон Холдейн у своїй статті-есе «Хвороби та еволюція» (J. B. S. Haldane, 1949. Disease and Evolution). Серед наслідків цієї ідеї — і користь статевого розмноження в боротьбі з паразитами (W. Hamilton, 1980. Sex versus non-sex versus parasite), і висока і довго підтримується різноманітність генів, задіяних в імунітеті (E. M. Leffler et al., 2013. Multiple Instances of Ancient Balancing Selection Shared Between Humans and Chimpanzees, див. також популярну розповідь про цю роботу), і так званий «осцилюючий поліморфізм» як один з основних варіантів антагоністичної коеволюції. У цьому випадку генетичний варіант (алель або генотип) господаря, який став частим, викликає адаптацію популяції паразитів (більш успішними серед них виявляться ті, хто здатний ефективніше заражати частий генотип господаря), що призведе до посилення паразитарного навантаження, і, як наслідок, до зниження пристосованості і зменшення відносної частоти цього варіанту в популяції. На зміну раніше частому варіанту прийде інший, перш рідкісний, який виявився менш схильний до зараження. А далі історія повторюється.

Випадки осцилюючого поліморфізму підтверджені в природі. Найвідоміший з них — це новозеландські равлики Potamopyrgos antipodarum і їхні паразити-трематоди (група плоских хробаків, також відома як сосальщики) Atriophallophorus winterbourni (M. F. Dybdahl, C. M. Lively, 1998. Host‐parasite coevolution: evidence for rare advantage and time‐lagged selection in a natural population). Цікаво, що, хоча ці організми вже більше тридцяти років є модельною системою для вивчення коеволюції, вид сосальщиков був описаний тільки в листопаді 2019 року (I. Blasco-Costa et al., 2019. A new species of Atriophallophorus Deblock & Rosé, 1964 (Trematoda: Microphallidae) described from in vitro-grown adults and metacercariae from Potamopyrgus antipodarum (Gray, 1843) (Mollusca: Tateidae)), а до цього він згадувався як Microphallus sp. Пізніше в експерименті на цій же модельній системі було показано, що за п’ять поколінь популяція трематод еволюціонує в бік кращої здатності заражати найбільш поширений клон новозеландських равликів (B. Koskella, C. M. Lively, 2009. Evidence for negative frequency-dependent selection during experimental coevolution of a freshwater snail and a sterilizing trematode).

Ще один приклад — це іржавчинний гриб Puccinia chondrillina і рослина хондрилу ситникова (Chondrilla juncea). У 13 з 16 популяцій хондрили в східній Туреччині рослини з найбільш частим генотипом були вражені паразитичним грибом, причому в 10 з них рослини з іншими генотипами від гриба взагалі не страждали (P. Chaboudez, J. J. Burdon, 1995. Frequency-dependent selection in a wild plant-pathogen system).

Ріс. 2. Дизайн експерименту. Один штам бактерії Serratia marcescens використовували для створення 36 незалежних ліній. Ці лінії пройшли відбір на збільшення вірулентності (смертності господарів) в гетерогенних популяціях нематод, в яких один генотип господаря був частим, а інший — рідкісним. У кожному раунді відбору не еволюціонуючі господарі додавалися до паразитів, а через 24 години бактерії витягувалися з померлих господарів. Ці паразити (які відносно швидко вбили своїх господарів) переходили в наступний раунд відбору. Чотири генотипи нематод були об’єднані в пари в різних комбінаціях і частотах, щоб вийшло шість варіантів гетерогенних популяцій господаря. Для кожного поєднання генотипів використовували шість повторень. Малюнок з обговорюваної статті в Biology Letters

Однак у всіх цих випадках залишається питання — справа саме в частоті даного генотипу, або в якихось інших його властивостях? Щоб відповісти на це питання, треба перевірити, як поведуть себе паразити в популяціях господаря, що розрізняються тільки частотою, але не набором генотипів. Саме такий експеримент і був проведений Амандою Гібсон (Amanda Gibson) і командою дослідників з лабораторії Леві Морана (Levi Morran Lab) Департаменту біології Університету Еморі на модельній системі, що складається з нематоди Caenorhabditis elegans і бактерії серратії Serratia marcescens.

Для досвіду чотири ізогенні лінії C. elegans (позначені N2, CB4856, LTM1 і ewIR68) змішувалися попарно в співвідношеннях 9 до 1 і 3 до 4 (надалі аналізі не враховувалися відмінності в частоті, а тільки те, рідкісним або частим був генотип). Під час експерименту паразити протягом сотень поколінь відбиралися на велику вірулентність (смертоносність) для господаря: до подальшого розмноження допускалися тільки бактерії з нематод, які померли протягом 24 годин після інфікування. Таких раундів відбору в різних варіантах досвіду було 10 або 20. Важливо відзначити, що кожен раз до бактерій, які вбили нематод, додавалися «наївні» хробаки з початкової популяції, тобто в даному випадку можливість еволюціонувати була дана тільки паразитам. Схема експерименту представлена на рис. 2.

Відразу впадає в очі невирівняність дизайну: різна тривалість відбору, різна частота рідкісних і частих генотипів. Справа в тому, що представлені в обговорюваній статті дані — це «побічний» продукт двох інших експериментів з вивчення еволюції паразитів у гетерогенній популяції господарів. Раніше в цих дослідах було встановлено, що використовувані генотипи нематод різнилися за стійкістю до серратій (рис. 3, ліворуч), а використовуваний штам серратії здатний адаптуватися до кожного з вивчених генотипів нематод в гомогенній популяції (рис. 3, праворуч), тобто серед господарів немає надстійкого клону.

Ріс. 3. Зліва — вірулентність вихідного штаму Serratia marcescens по відношенню до використаних в досвіді генотипів нематод C. elegans: видно, що генотипи LTM1 і N2 менш стійкі до цієї бактерії. Справа — адаптація використовуваного штаму Serratia marcescens до генотипів нематод C. elegans в гомогенних популяціях. По вертикальній осі відкладена різниця в смертності господарів після зараження бактеріями, що вирощуються з нематодами, і контролем, поділена на смертності бактерій з контролю. Контролем служили популяції бактерій, що вирощуються у відсутності нематод і демонструють зміну вірулентності за рахунок адаптації до інших, не пов’язаних з наявністю господарів, умов експерименту. Ці результати показують, що використовуваний штам серратій здатний адаптуватися до використовуваних генотипів нематод, але різною мірою. Малюнки з додаткових матеріалів до обговорюваної статті в Biology Letters

Наприкінці експерименту смертність, яку викликають паразити, оцінювали на наївних нематодах тих самих штамів.

У двох з чотирьох пар генотипів господарів серратії втратили вірулентність по відношенню до рідкісного генотипу, в одній — підвищили вірулентність щодо частого генотипу, і ще в одній — втратили вірулентність по відношенню і до рідкісного, і до частого генотипу (рис. 4). Останнє сталося з тими черв’яками, які були менш чутливі до бактерій.

Ріс. 4. Зміна вірулентності (смертності господарів) паразитів проти рідкісного (rare) і частого (common) генотипу господаря. По вертикальній осі відкладена різність вірулентності після відбору і вірулентності предкового штаму паразита проти даного генотипу господаря, поділена на вихідну вірулентність: позитивні значення говорять про збільшення смертності, негативні — про зменшення. Сірі кружечки та лінії відображають результат окремих повторностей, кольорові кружечки та чорні лінії — усереднені значення. Зірочками позначені значущі відмінності. Малюнок з обговорюваної статті в Biology Letters

Статистичний аналіз показав, що сукупний результат експерименту найкраще описується моделлю, в якій вірулентність серратій знижується по відношенню до рідкісного генотипу нематод на 3,73 ­ 1,74% і залишається незмінною по відношенню до частого генотипу (зміна 0,28 ­ 1,55%). При цьому була відсутня взаємодія факторів «генотип» і «частота», тобто різні генотипи не розрізнялися за характером зміни вірулентності залежно від частоти — не було такого, що, наприклад, у одного генотипу падіння вірулентності при рідкісній частоті виявлялося б значимо більшим, ніж у іншого. Цей результат був підтриманий також двома іншими, незалежними статистичними перевірками. Таким чином, можна стверджувати, що в ході цього експерименту серратії втрачали вірулентність по відношенню до рідкісного генотипу, який би він не був, і не змінювали її по відношенню до частого генотипу.

Хоча отриманий результат узгоджується з тим, що наявність паразитів дає перевагу рідкісним генотипам, розмір ефекту досить незначний. У чому причини цього? Автори відкидають два тривіальних пояснення малої ефективності відбору: недостатня спадкова мінливість у серратій (використовуваний штам легко адаптується до гомогенних популяцій нематод) і недостатній час (найбільш сильні зміни відбулися у варіантах досвіду з 10, а не 20 раундами відбору). Два інших припущення представляються авторам більш правдоподібними. По-перше, вивчення середньої вірулентності може приховувати внутрішньопопуляційні відмінності серратій, тобто окремі лінії останніх можуть проявляти особливо високу вірулентність проти частого або особливо малу вірулентність проти рідкісного генотипу (зауважу, втім, що вихідна модель негативного частотно-залежного відбору передбачає якраз зміну середньої вірулентності по відношенню до рідкісного і частого генотипу господаря), — автори побіжно згадують, що у них є дані, що підтверджують таку мінливість за вірулентністю. По-друге, в цьому експерименті не було справжньої коеволюції, так як на кожному новому раунді відбору серратії стикалися з наївними нематодами. А коеволюція, як неодноразово було показано, сприяє генетичній мінливості у паразитів (див., наприклад, R. D. Schulte et al., 2013. Host-parasite coevolution favours parasite genetic diversity and horizontal gene transfer), — автори припускають, що це може призводити до більш сильних відмінностей між вірулентністю по відношенню до рідкісних і частих генотипів господарів.

Незважаючи на недосконалість дизайну, даний експеримент наочно продемонстрував одне з основних положень коеволюційної біології — наявність паразитів призводить до селективної переваги більш рідкісних генотипів (про всяк випадок нагадаю, що знижена смертність, що викликається інфекцією, як раз і означає, що в даних умовах цей генотип виявляється більш успішним).

Джерело: A. K. Gibson, P. S. White, M. K. J. Penley, J. C. de Roode, L. T. Morran. An experimental test of parasite adaptation to common versus rare host genotypes // Biology Letters. 2020. DOI: 10.1098/rsbl.2020.0210.

Сергій Лисенков