Генетические основы эволюции фенотипической пластичности начинают проясняться

Фенотипической пластичностью называют способность одного и того же генотипа производить разные фенотипы в зависимости от условий среды. Удобным объектом для изучения фенотипической пластичности являются бабочки Junonia coenia, у которых в зависимости от температуры и продолжительности светового дня крылья получаются либо бежевыми, либо темно-красными. Американские биологи при помощи искусственного отбора вывели линии бабочек с усиленным и, наоборот, ослабленным фенотипическим ответом на внешние условия (то есть с расширенной и суженной нормой реакции). Генетический анализ полученных линий показал, что за ширину нормы реакции отвечают регуляторные участки трех генов, напрямую задействованных в формировании темно-красных чешуек на крыльях. Более высокие уровни регуляции (такие как общий гормональный ответ на изменение условий) остались неизменными: изменилась лишь локальная реакция определенных частей развивающегося организма на эти системные сигналы. Возможно, это общий принцип эволюции фенотипической пластичности, позволяющий минимизировать побочные эффекты таких эволюционных изменений.

Фенотипическая пластичность (называемая также модификационной изменчивостью) чрезвычайно широко распространена в живой природе. Способность одного и того же генотипа порождать разные фенотипы в зависимости от условий, с одной стороны, сама является результатом эволюции. Под действием отбора может меняться как направленность пластических изменений, так и их размах (ширина нормы реакции). В частности, отбор может постепенно зафиксировать («закрепить в геноме», сделать полностью врожденным) фенотипический признак, который у предков развивался в ответ на внешнее воздействие. Это называют генетической ассимиляцией (см. Genetic assimilation).

С другой стороны, хотя сами пластические изменения не наследуются (наследуется только их вероятность при тех или иных условиях), фенотипическая пластичность может сильно влиять на скорость и направленность эволюционных изменений (см. ссылки в конце новости).

Генетические основы эволюции фенотипической пластичности (и в том числе механизмы генетической ассимиляции) изучены слабо. Теоретически, эволюционные изменения реакции онтогенеза на внешние условия могут затрагивать регуляторные системы разных уровней. Высший уровень — это восприятие внешних факторов развивающимся организмом, его способность отличать, например, тепло от холода или короткий световой день от длинного. К промежуточному уровню можно отнести внутренние сигналы общего характера, являющиеся ответом на внешний стимул. Например, в ответ на изменение температуры может измениться уровень какого-нибудь гормона, регулирующего развитие. Наконец, к низшему уровню относится реакция конкретных частей, тканей или клеток развивающегося организма на эти внутренние сигналы. На каком (или на каких) из этих уровней происходят эволюционные изменения, меняющие характер фенотипической пластичности, толком неизвестно.

Биологи из Корнеллского университета (США) попытались разобраться в этом, экспериментируя с североамериканскими бабочками Junonia coenia. Эти бабочки — удобный объект для изучения фенотипической пластичности (рис. 1). В зависимости от условий, в которых шло развитие гусениц и куколок (а именно от температуры и длины светового дня), нижняя сторона крыльев у взрослых бабочек получается либо бежевой («летний» вариант окраски), либо темно-красной («осенний» вариант). Предполагают, что темно-красные крылья делают бабочек менее заметными среди осенней листвы.

Ранее было показано, что пластичность окраски крыльев у Junonia coenia связана с уровнем гормона экдизона на разных этапах развития куколки. В какой-то момент он резко повышается, причем в осенних условиях это происходит раньше, чем в летних. Это и служит сигналом для формирования либо темной окраски крыльев (в случае раннего подъема уровня экдизона), либо светлой (если выброс гормона происходит позже).

Впрочем, четко выраженная сезонность окраски есть не у всех популяций Junonia coenia, а лишь у некоторых, в том числе у лучше всего изученных популяций из Северной Каролины. В более западных частях ареала встречаются бабочки, фенотип которых менее чувствителен к колебаниям температуры и освещенности, и даже такие, у которых один из фенотипов (бежевый или темно-красный) является единственным и развивается вне зависимости от условий. Это можно рассматривать как пример генетической ассимиляции, поскольку пластичность окраски почти наверняка является предковым состоянием (она характерна и для других видов рода Junonia, и даже для некоторых близких родов). Соответственно, фиксированная окраска — это производное состояние, появление которого соответствует понятию генетической ассимиляции. Например, в Калифорнии у бабочек Junonia coenia зафиксировался светлый («летний») фенотип, что, предположительно, связано с меньшим (по сравнению с Северной Каролиной) количеством красной осенней листвы (E. V. Daniels et al., 2012. Seasonal wing colour plasticity varies dramatically between buckeye butterfly populations in different climatic zones).

Из сказанного ясно, что степень фенотипической пластичности (ширина нормы реакции) у Junonia coenia, по-видимому, может быстро меняться под действием отбора. А значит, есть шанс обнаружить гены, аллельные варианты которых ответственны за эти изменения.

Исследователи начали с того, что из бабочек с обычной для восточных популяций сезонностью окраски путем искусственного отбора вывели две линии: одну с расширенной нормой реакции («пластичная линия»), а другую с суженной («красная линия»).

При выведении пластичной линии поколения бабочек выращивали поочередно то в летних условиях, отбирая при этом самых светлоокрашенных особей, то в осенних, отбирая, наоборот, самых темных. Уже через шесть поколений такого отбора получились бабочки, чья окраска реагировала на внешние условия заметно сильнее, чем у исходной популяции.

При выведении красной линии насекомых выращивали в летних условиях (при которых в норме получается светлый фенотип), отбирая наиболее темноокрашенных. Спустя 12 поколений получились бабочки со стабильной темной окраской, почти не зависящей от условий. Иными словами, произошла генетическая ассимиляция темной окраски (рис. 2).

Ученые сравнили динамику уровня экдизона в ходе развития куколки у «пластичных» и «красных» бабочек — и не обнаружили различий. В пластичной линии при выращивании в осенних условиях экдизон повышается рано (и тогда крылья получаются темными), а в летних условиях скачок экдизона происходит позже, и крылья получаются светлыми. Если бы в красной линии сужение нормы реакции произошло за счет изменения «высших» или «промежуточных» уровней регуляции, то следовало бы ожидать, что у бабочек из красной линии в летних условиях будет наблюдаться раннее повышение уровня экдизона, которое у пластичных бабочек соответствует темно-красным крыльям. Но это не подтвердилось: оказалось, что в красной линии при выращивании в тепле экдизон повышается так же поздно, как и у пластичных бабочек. Вот только к посветлению крыльев это не приводит: крылья все равно получаются темно-красными.

Из этого следует, что сужение нормы реакции в красной линии, по-видимому, не связано с изменениями верхних уровней регуляции. Непластичные бабочки по-прежнему отличают летние условия от осенних и реагируют на них такими же гормональными сдвигами. Очевидно, утрата фенотипической пластичности обусловлена изменениями на более низком регуляторном уровне. Возможно, какие-то гены, функция которых непосредственно связана с раскраской крыльев, у непластичных бабочек перестали реагировать на гормональные сигналы, которые в норме должны регулировать их экспрессию в зависимости от условий среды.

Дальнейшие эксперименты подтвердили это предположение.

Прежде всего нужно было найти конкретные гены, ответственные за различия в ширине нормы реакции. Если приведенные соображения верны, то искомые гены должны быть напрямую связаны с окраской крыльев, а ключевые различия между пластичными и непластичными бабочками должны быть приурочены к регуляторным участкам этих генов.

Поиск генов проводился так. Бабочек из пластичной и красной линий скрестили, а из гибридов третьего поколения, выращенных в «летних» условиях (эти гибриды получились очень разнообразными по окраске) выбрали по два десятка самых светлых и самых темных. У них отсеквенировали геномы, а затем провели полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) для признака «выраженность темно-красной окраски» (ее можно оценивать по числу темно-красных чешуек на крыльях). При такой постановке эксперимента выраженность темно-красной окраски отражала ширину нормы реакции: у выращенных в тепле бабочек светлые крылья свидетельствовали о сильно выраженной фенотипической пластичности, темно-красные — о слабо выраженной.

Полногеномный поиск ассоциаций выявил четыре участка генома, к которым приурочены вариабельные нуклеотидные позиции, связанные с изучаемым признаком. В этих участках расположены десятки генов. Чтобы дополнительно сузить круг поиска, ученые сравнили уровни экспрессии генов в зачатках крыльев у «пластичных» и «красных» бабочек на разных стадиях развития. Идея в том, что гены, влияющие на окраску, скорее всего, должны по-разному экспрессироваться в зачатках крыльев у бабочек с высокой и низкой пластичностью.

Еще один критерий отбора генов-кандидатов состоял в том, что гены по одному выводили из строя при помощи CRISPR/Cas9 (см. А. В. Смирнов и др., 2016. Система CRISPR/Cas9 — универсальный инструмент геномной инженерии). Это делалось путем инъекций смеси гидовых РНК и белка Cas9 (в разных концентрациях) в эмбрион спустя 0,5–2,5 часа после оплодотворения. В результате получались «мозаичные» бабочки, у которых изучаемый ген нормально работал в одних частях организма и не работал в других. Если ген действительно как-то связан с окраской крыльев, то это становилось сразу понятно, потому что на крыльях тогда возникали хаотично расположенные области аномальной окраски.

Все эти (и некоторые другие) ухищрения в итоге позволили выявить три гена, нуклеотидные вариации в которых достоверно влияют на ширину нормы реакции: cortex, trehalase и herfst.

Про первый ген, cortex, уже было известно, что у многих бабочек он участвует в раскрашивании крыльев. Вообще-то он специализируется на регуляции клеточных делений, и, например, у дрозофил никакого отношения к окраске крыльев не имеет. Но бабочки на заре своей эволюции, по-видимому, приспособили cortex к управлению делением тех клеток, из которых потом формируются разноцветные чешуйки на крыльях (см.: Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение, «Элементы», 06.06.2016).

Второй ген, trehalase, кодирует трегалазу — фермент, превращающий трегалозу в глюкозу. Казалось бы, при чем тут окраска крыльев? Авторы предполагают, что у бабочек трегалаза непосредственно участвует в синтезе красного пигмента крыльев — родомматина, который производится из предшественника — дигидроксантомматина — путем присоединения молекулы глюкозы.

Про третий ген, herfst, пока ничего не известно, кроме того, что у кодируемого им белка есть цинковый палец и что без него темно-красная окраска крыла не формируется, как и без двух других генов (рис. 3). Чтобы крыло получилось темно-красным, должны исправно работать все три гена.

Кроме того, выяснилось, что ключевые нуклеотидные различия, от которых зависит пластичность окраски крыльев, приурочены не к белок-кодирующим, а к регуляторным областям трех перечисленных генов. Как говорилось выше, этого и следовало ожидать в том случае, если генетическая ассимиляция темно-красной окраски у бабочек из красной линии была основана на том, что какие-то гены, непосредственно вовлеченные в раскрашивание крыльев, вышли из-под контроля «системных» сигналов высшего уровня (таких как гормональный экдизоновый сигнал) и стали обеспечивать темно-красный цвет крыльев невзирая ни на что. Именно это, судя по всему, и произошло в данном случае (рис. 4).

Возможно, такое изменение не самих системных сигналов, а лишь локальной реакции на них определенных генов и частей развивающегося организма, является общим принципом эволюции фенотипической пластичности. По идее, это должно минимизировать нежелательные побочные эффекты подобных эволюционных изменений. Так ли это — покажут дальнейшие исследования.

Источник: Karin R. L. van der Burg, James J. Lewis, Benjamin J. Brack, Richard A. Fandino, Anyi Mazo-Vargas, Robert D. Reed. Genomic architecture of a genetically assimilated seasonal color pattern // Science. 2020. DOI: 10.1126/science.aaz3017.

См. также о фенотипической пластичности и генетической ассимиляции:
1) Выведена гусеница, меняющая цвет при нагревании, «Элементы», 09.02.2006.
2) Параллельная эволюция касты «сверхсолдат» у муравьев получила объяснение, «Элементы», 15.01.2012.
3) Самцы и самки меняются ролями при смене погоды, «Элементы», 27.12.2012.
4) Новое применение для древней регуляторной системы: длина крыльев у рисовой цикадки регулируется инсулиновым сигнальным каскадом, «Элементы», 30.03.2015.
5) Неадаптивная пластичность ускоряет адаптивную эволюцию, «Элементы», 07.09.2015.
6) Фенотипическая пластичность позволяет предсказывать эволюционные изменения у жуков-навозников, «Элементы», 20.04.2018.
7) А. В. Марков, С. Б. Ивницкий, 2016. Эволюционная роль фенотипической пластичности.