Введение к работе
Актуальность работы
Симбиотическая система «Drosophila melanogaster — Wolbachia» представляет исключительный интерес для эволюционной биологии и генетики, коэволюции на геномном, клеточном и организменном уровнях. Бактерия Wolbachia - это альфапротеобактерия, которая трансовариально (вертикально) передается в поколениях многих представителей членистоногих и некоторых нематод (Werren, 1997; Захаров, Марков, 2005; Захаров и др., 2008). Столь значительный эволюционный успех бактерии связывается со способностью индуцировать репродуктивные аномалии, направленные на распространение инфицированной цитоплазмы в популяции вида-хозяина, а также с приспособительным эффектом, дающим преимущество содержащим эндосимбионта некоторым видам-хозяевам, по сравнению с неинфицированными особями (Werren, 1997; Горячева, 2004; Mercot, Charlat, 2004). Для насекомых показано чрезвычайно высокое распространение симбиотических систем «вид-хозяин - Wolbachia»: предполагают, что могут быть инфицированы от 20 до 70 % видов насекомых (Werren et al, 1995; Hilgenboecker et al, 2008). Одной из главных особенностей бактерии является ее способность вызывать целый спектр репродуктивных аномалий у вида-хозяина, а именно: партеногенез, феминизацию генетических самцов, гибель самцов-потомков (андроцид) и цитоплазматическую несовместимость, биологическая роль которых заключается в распространении инфицированной цитоплазмы в популяции вида-хозяина (Turelli, Hoffmann, 1995; Горячева, 2004).
Неизвестно, какие молекулярные механизмы вовлечены во взаимодействие Wolbachia и вида-хозяина? Знания в этой области могли бы прорыв в области контроля вредных и полезных насекомых, произвести серьезное продвижение в фармакологии, описать ряд феноменов эволюционных преобразований Artropoda.
Изучение природных популяций Drosophila simulans и D. melanogaster Австралии, Северной Америки и экваториальной Африки показало широкое распространение эндосимбионта (Hoffmann, Turelli, 1988; Turelli et al, 1992; Hoffmann et al, 1994; Turelli, Hoffmann, 1995; Weeks et al, 2007). Популяции дрозофил Евроазиатского континента оставались малоизученными. Для завершения картины глобального распространения Wolbachia актуальным было изучение динамики и характера распространения бактерии в Североевразийских популяциях Drosophila melanogaster.
Методический прогресс в геномике последнего десятилетия позволил выделить и классифицировать Wolbachia в соответствии с различиями в их генотипах (Sun et al, 2001, 2003; Riegler et al, 2005). Это, в свою очередь, позволило решать проблемы, связанные с генетическими аспектами симбиотических взаимодействий.
Цели и задачи
Целью исследования было охарактеризовать популяционную динамику, биологию и генетику симбиотической системы «Drosophila melanogaster-Wolbachia». В связи с этим были поставлены следующие конкретные задачи.
-
Описать инфицированность и представленность различных генотипов эндосимбионта Wolbachia (wMel, wMelCS и wMelCS2) в природных популяциях Drosophila melanogaster Северной Евразии в пространстве и во времени за четверть века.
-
Охарактеризовать фонд Лаборатории генетики популяций ИЦиГ СО РАН на присутствие Wolbachia и оценить факторы, определяющие инфицированность лабраторных линий.
-
Установить разнообразие митохондриальньгх гаплотипов для линий Drosophila melanogaster, инфицированных вертикально передающейся бактерией Wolbachia.
4. Оценить уровень цитоплазматической несовместимости у Drosophila
melanogaster, индуцируемой различными генотипами Wolbachia.
5. Выяснить влияние различных генотипов Wolbachia на компоненты общей
приспособленности вида-хозяина Drosophila melanogaster.
Научная новизна
В работе систематически изучена представленность эндосимбионта Wolbachia в природных популяциях Drosophila melanogaster Северной Евразии за четверть века. Показано широкое распространение и высокая концентрация инфицированности, выявлены три генотипа Wolbachia (wMel, wMelCS и wMelCS2). По статусу инфицированности и генотипическому составу Wolbachia охарактеризованы тестерные и мутантные линии фонда Лаборатории генетики популяций ИЦиГ СО РАН. Преимуществом нашей работы является то, что сравнивалась не Wolbachia-положительная и Wb/Ьасйга-отрицательная цитоплазма, а инфицированность цитоплазмы различными генотипами бактерии. Впервые описана эволюционная сопряженность митохондриального генома Drosophila melanogaster и эндосимбионта Wolbachia, что объясняет наблюдаемую мономорфность мтДНК популяций D. melanogaster (David, Сару, 1988; Hale, Singh, 1991; Solignac et al, 1994). Для генотипов wMel, wMelCS и wMelCS2 Wolbachia даны характеристики их способности индуцировать цитоплазматическую несовместимость и влиять на показатель выживаемости при различных температурных условиях у Drosophila melanogaster.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
Практически во всех природных популяциях северной Евразии Drosophila melanogaster обнаруживается первичный эндосимбионт Wolbachia штамм wMel. Широко распространены три генотипа этого штамма, wMel, wMelCS и wMelCS2.
-
Полиморфизм митохондриальной ДНК Drosophila melanogaster зависит от определенных генотипов бактерии в изучаемой цитоплазме.
Различные генотипы Wolbachia индуцируют сходный уровень цитоплазматической несовместимости (слабый или отсутствие действия) у своего вида-хозяина Drosophila melanogaster. Влияние бактерии на продолжительности жизни мух носит слабый и неоднозначный характер.
Теоретическая и практическая значимость исследования
Drosophila melanogaster является модельным объектом общей и молекулярной генетики, полученные нами результаты позволяют по-новому подойти к решению генетических аспектов симбиотических взаимоотношений. Обнаруженные сопряженные изменения митохондриальной ДНК и эндосимбионта Wolbachia позволяют рассматривать мтДНК Drosophila melanogaster в качестве модели микроэволюционных преобразований. Полученные результаты вносят вклад в популяционную и эволюционную генетику.
Апробация работы Результаты работы были представлены на: 2-й школе молодых ученых «Экологическая генетика» (Санкт-Петербург, 2005); 10-й Пущинской школе-конференции молодых учёных, посвященной 50-летию Пущинского НЦ РАН (Пущино, 2006); 4-й международной научной конференции «Проблема вида и видообразования» (Томск, 2006); конференции «Современные проблемы биологической эволюции», посвященной 100-летию Государственного Дарвиновского музея (Москва, 2007); международной конференции «Развитие эволюционной идеи в биологии, социологии и медицине», посвященной 90-летию со дня рождения академика Д.К. Беляева (Новосибирск, 2007); 20-м международном
генетическом конгрессе (Берлин, 2008); отчётных конференциях «Динамика генофондов растений, животных и человека» (Москва, 2005, 2006, 2007); отчётной сессии Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск, 2006).
Публикации
По результатам диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 3 статьи - в научных журналах, в которых по требованию ВАК Минобрнауки России должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук по биологическим наукам.
Объем и структура работы.
