Между ночью и днём: как мушки адаптируются к колебаниям продолжительности светового дня

Экспрессия нейропептида Pdf (зеленый) в мозге (фиолетовый) Drosophila sechellia. Фото: Michael Shahandeh, Richard Benton (CIG, UNIL)

Большинство растений и животных подвергаются воздействию широкого спектра изменений окружающей среды. Исследование, опубликованное в журнале Nature и проведенное командой Ричарда Бентона, профессора Центра интегративной геномики на факультете биологии и медицины Лозаннского университета, рассматривает способность мушки дрозофилы адаптироваться к колебаниям длины дня, сообщается на сайте EurekAlert!.

Виды с широким географическим распространением, такие как человек, сталкиваются с многочисленными изменениями окружающей среды, с которыми они справляются благодаря гибкости своего поведения. Способность адаптироваться к окружающему миру имеет решающее значение для выживания. Однако молекулярные механизмы, лежащие в ее основе, остаются малоизученными. Поэтому важно выяснить, как пластичность поведения регулируется генами и нервной системой, чтобы понять, как широко распространенные виды эволюционировали, чтобы справляться с изменениями окружающей среды, и как они будут адаптироваться к меняющемуся климату.

Длина дня — фактор, который колеблется в зависимости от сезона и широты. Многие виды, например некоторые мухи, регулируют свой циркадный ритм (суточный цикл активности), чтобы приспособиться к  колебаниям длины дня.

Ученые сравнили два вида дрозофил, чтобы изучить различия в их поведенческой гибкости. Drosophila melanogaster, также известная как «плодовая мушка», распространена по всему миру, поэтому она подвержена значительным изменениям продолжительности дня и демонстрирует сильную циркадную пластичность. Напротив, Drosophila sechellia, эндемик Сейшельских островов, расположенных недалеко от экватора, подвергается гораздо меньшим колебаниям длины дня и демонстрирует меньшую гибкость.

Чтобы сравнить циркадную пластичность этих видов, ученые подвергли их навязанному циркадному циклу длинного дня: 16 часов света. Это ограничение имело пагубные последствия для приспособленности (под которой понимается способность выживать и размножаться) D. sechellia, привыкшего к постоянной длине дня в 12 часов. «Этот вид утратил способность задерживать вечерний пик активности в случае увеличения продолжительности фотопериода; в результате длинные дни стали для него стрессом, а уровень репродуктивности снизился вдвое, в то время как D. melanogaster остался абсолютно фертильным», — комментирует Ричард Бентон.

С помощью генетического скрининга биологам удалось обнаружить ключевую роль гена Pdf (Pigment-dispersing factor) в расхождении между видами. «Этот ген отвечает за экспрессию нейропептида Pdf, который имеет решающее значение для циркадной активности. Как и ожидалось, замена гена D. melanogaster на ген D. sechellia снизила способность D. melanogaster задерживать пик активности в условиях длинного светового дня», — сообщает профессор Бентон. «D. melanogaster — это как генетическая пробирка для нас.  Эксперимент показал, что различия между генами Pdf у D. sechellia и D. melanogaster способствуют поведенческим различиям между этими двумя видами». Особенности гена Pdf D. melanogaster частично объясняют, почему этот вид широко распространился по всему миру, в то время как D. sechellia специализируется в одной нише.

Ричард Бентон также упоминает о предыдущих исследованиях, свидетельствующих о важности нейропептида Pdf у видов дрозофил, обитающих в более высоких широтах и проявляющих еще большую гибкость в циркадной активности, чем D. melanogaster. Эти наблюдения позволяют предположить, что данный нейропептид является ключевым эволюционным фактором в развитии циркадной пластичности у дрозофилы. Учитывая, что Pdf присутствует и у многих других насекомых, таких как комары, которые широко распространены по всему миру, он может играть аналогичную роль и у последних. 

«Наша работа может вдохновить на изучение других форм поведенческой пластичности с участием клеточных и молекулярных механизмов у разных видов животных. Например, певчие птицы меняют частоту вокализации в ответ на шум, вызванный деятельностью человека, а ящерицы изменяют свое поведение в состоянии покоя в ответ на высоту над уровнем моря, но мы ничего не знаем о механизмах, лежащих в основе этих явлений», — заключили учёные.

[Фото: Michael Shahandeh, Richard Benton (CIG, UNIL)]


Источник