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, Hoffinann, 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, Turelh, 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 митохондриальных 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 ЛЬ/бас/ггс-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, Sohgnac 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 ученых, 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 ДК Беляева (Новосибирск, 2007), 20-м международном
генетическом конгрессе (Берлин, 2008); отчётных конференциях «Динамика генофондов растений, животных и человека» (Москва, 2005, 2006, 2007); отчетной 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.
