Потеря чувствительности к горькому вкусу превращает дрозофил во вредителей

Плодовые мушки (Drosophila melanogaster) обычно откладывают яйца в перезрелые фрукты и ягоды, которые люди, как правило, не используют. Однако, как показано в недавнем исследовании, если у мушек ослабляется восприятие горького вкуса, то они начинают поражать плоды на более ранних сроках созревания. Возможно, именно такое изменение вкусовой чувствительности когда-то стало толчком для запуска эволюционных преобразований у дрозофилы D. suzukii — опасного вредителя, наносящего урон сельскохозяйственным культурам и активно распространяющегося по всему миру.

Всем известная плодовая мушка (Drosophila melanogaster) — излюбленный модельный вид биологов и генетиков, один из самых изученных видов животных, своим служением науке принесший огромную пользу человечеству (см., например, Составлена самая подробная карта экспрессии генов в эмбрионе дрозофилы, «Элементы», 16.10.2017). Ее близкий родственник D. suzukii (рис. 1), наоборот, заслужил дурную славу: эта маленькая мушка представляет серьезную угрозу для некоторых важных плодово-ягодных культур — клубники, ежевики, черешни, винограда. Как и у других видов дрозофил, ее личинки развиваются в плодах растений, однако для откладывания яиц D. suzukii выбирает не подгнивший субстрат, а спелые и даже недоспелые плоды (M. Karageorgi et al., 2017. Evolution of Multiple Sensory Systems Drives Novel Egg-Laying Behavior in the Fruit Pest Drosophila suzukii). Вылупляющиеся через несколько дней личинки питаются свежими соками ягод, подчас не оставляя шанса полакомиться ими кому-то еще.

Этот вид, изначально обитавший в Восточной Азии, в 2008 году был завезен в Калифорнию (M. Hauser, 2011. A historic account of the invasion of Drosophila suzukii (Matsumura) (Diptera: Drosophilidae) in the continental United States, with remarks on their identification) и с тех пор быстро захватывает новые регионы, распространяясь в последние годы не только в Северной Америке, но и в Европе.

Наиболее явная и обращающая на себя внимание адаптация D. suzukii, облегчающая откладывание яиц в плоды на ранних сроках созревания, — крупный и зазубренный яйцеклад (рис. 2), напоминающий пилу и легко проникающий через кожицу фруктов и ягод. Другие виды дрозофил по длине яйцеклада значительно уступают D. suzukii. Впрочем, у ее ближайшего родственника D. biarmipes яйцеклад тоже довольно крупный, но этот вид не проявляет особых предпочтений при выборе субстрата, откладывая яйца в ягоды и фрукты на разных стадиях зрелости (J. E. Green et al., 2019. Evolution of Ovipositor Length in Drosophila suzukii Is Driven by Enhanced Cell Size Expansion and Anisotropic Tissue Reorganization).

В предыдущих исследованиях уже было показано, что дрозофилы при выборе места для откладки яиц учитывают твердость субстрата (D. suzukii предпочитает более твердый субстрат по сравнению с другими видами), а также ориентируются на его запах (M. Karageorgi et al., 2017. Evolution of Multiple Sensory Systems Drives Novel Egg-Laying Behavior in the Fruit Pest Drosophila suzukii). В новой работе, опубликованной в журнале eLife, американским ученым удалось продемонстрировать, что на поведение дрозофил влияют и вкусовые качества субстрата — в частности, концентрация в нем горьких веществ.

Многие растения защищают свои плоды от вредителей, стремящихся полакомиться ими раньше времени, разнообразными горькими на вкус токсинами. В недозрелых фруктах и ягодах ряд горьких компонентов присутствует в более высокой концентрации, чем в перезрелых (A. P. Lopes et al., 2020. Quantification of phenolic compounds in ripe and unripe bitter melons (Momordica charantia) and evaluation of the distribution of phenolic compounds in different parts of the fruit by UPLC–MS/MS; G. W. Cheng, P. J. Breen, 1991. Activity of Phenylalanine Ammonia-Lyase (PAL) and Concentrations of Anthocyanins and Phenolics in Developing Strawberry Fruit). Поэтому авторы обсуждаемой работы предположили, что дрозофилы D. melanogaster определяют «привлекательность» плодов, в том числе, и по их горечи, стараясь не откладывать яйца в более горький субстрат.

Чтобы это проверить, ученые на различных уровнях (от поведенческого до молекулярного) исследовали рецепцию горького вкуса у D. suzukii и ее родственников. В опытах были задействованы два уже упоминавшихся вида мушек — D. melanogaster и D. biarmipes (этот вид филогенетически ближе к D. suzukii, а по ряду параметров — например, по размеру яйцеклада и тактике выбора субстрата — занимает промежуточное положение между D. suzukii и D. melanogaster), а также мушки D. melanogaster с мутацией гена вкусового рецептора Gr33a, проявляющие сниженную чувствительность к горькому.

На первом этапе исследований были проведены поведенческие тесты, в которых дрозофилам предлагали на выбор несколько субстратов из клубники разной степени спелости.

Собранные на одном участке ягоды клубники были разделены на семь кучек по их зрелости — от твердых бело-зеленых (1 стадия) до полностью ферментированных, гниющих ягод (7 стадия). Ягоды растерли в пюре и поместили в чашки Петри. Сто мушек одного вида (80 самок и 20 самцов) запускали в пластиковую камеру с семью чашками Петри, в каждой из которых находилось клубничное пюре из ягод одной стадии зрелости, а через сутки исследователи подсчитывали, где именно мушки отложили яйца.

Оказалось, что D. melanogaster достоверно чаще выбирали самую последнюю стадию — перезрелые ягоды (рис. 3). А вот D. suzukii предпочитали откладывать яйца пюре из незрелых ягод, а также в пюре из спелых ягод (5 стадия зрелости). У D. biarmipes достоверных предпочтений обнаружено не было.

Затем количество предлагаемых мушкам вариантов сократили до двух — оставили только спелые (5 стадия) и переспелые ягоды (7 стадия). Как и ожидалось, D. suzukii чаще откладывали яйца в пюре «посвежее», а D. melanogaster — в пюре «с гнильцой». Но вот D. melanogaster с мутацией вкусового рецептора Gr33a (хуже ощущающие горечь) повели себя подобно D. suzukii, чаще выбирая для откладывания яиц субстрат из спелых ягод. Такое поведение свидетельствует в пользу того, что дрозофилы ориентируются и на вкус фруктов и ягод, подбирая подходящую среду для кладки.

Разобравшись с поведенческими предпочтениями мушек, ученые описали анатомические отличия органов вкусовой рецепции — вкусовых сенсилл — у дрозофил трех видов, с которыми они работали в обсуждаемом исследовании. У насекомых такие сенсиллы располагаются на верхней губе, на ножках и на яйцекладе (рис. 5). Также рецепторы вкусовой чувствительности есть в глотке и на крыльях, но в данной работе они не рассматривались, так как, по всей видимости, при выборе субстрата для кладки яиц они не играют решающей роли (поскольку не контактируют напрямую с субстратом).

Вкусовые сенсиллы выглядят как волоски с прямой или раздвоенной верхушкой. На кончике волоска обычно есть отверстие (пора). В основании таких волосков лежат тела нескольких чувствительных нейронов. Ранее считалось, что каждый из этих нейронов настроен на восприятие лишь одного вкуса (например, только сладкого или только соленого), но последующие исследования показали, что это не так: один нейрон может реагировать и на горькие, и на соленые вещества (подробнее про хеморецепцию дрозофил можно почитать, например, в статье H. Amrein, 2016. Mechanism of Taste Perception in Drosophila).

Паттерны распределения вкусовых сенсилл на губе оказались сходны у всех трех исследованных видов дрозофил, но у D. melanogaster их там оказалось больше: по 31 штуке с каждой стороны губы, а у двух других видов — по 27 штук. На ножках количество и расположение вкусовых сенсилл совпадало у всех трех видов. У сенсилл на яйцекладе исследуемых видов дрозофил, как оказалось, пор нет. Ученые рассудили, что они не функционируют как органы вкусовой чувствительности.

Исследователи определили, какие из вкусовых сенсилл отвечают за восприятие горького вкуса. Для этого был измерен электрофизиологический ответ каждого чувствительного волоска на различные химические вещества, имеющие горький вкус. В качестве стимулов были выбраны как вещества, встречающиеся в незрелых плодах растений (алкалоиды, терпеноиды, фенольные соединения), так и токсины синтетической природы (диэтилтолуамид). Авторы использовали стандартную методику изучения вкуса у насекомых, подводя к каждой вкусовой сенсилле обездвиженной дрозофилы электрод, одновременно служащий и контейнером для вкусового стимула, и регистратором возбуждаемого электрического сигнала (R. Delventhal et al., 2014. Electrophysiological Recording From Drosophila Labellar Taste Sensilla).

Было установлено, что за восприятие горького вкуса ответственны, главным образом, короткие сенсиллы и сенсиллы промежуточной длины. У D. melanogaster таких сенсилл больше, чем у D. suzukii и D. biarmipes. Длинные вкусовые сенсиллы не обладают чувствительностью к исследованным горьким веществам.

Три исследованных вида дрозофил различались по вкусовой чувствительности к разным горьким веществам, но результаты неоднозначны: например, у D. suzukii снижена чувствительность к сапонину и диэтилтолуамиду, зато усилена реакция на аристолохиевую кислоту (по сравнению с двумя другими видами).

Ученые также измерили электрофизиологический ответ сенсилл губы на сложный стимул — сок из спелой клубники и сок из переспелой клубники.

Выяснилось, что сок переспелой клубники вызывает у всех трех видов более сильную реакцию сенсилл, чем сок спелой клубники (рис. 7). Это противоречит исходно принятой гипотезе авторов, согласно которой короткие вкусовые сенсиллы у D. melanogaster, казалось бы, «должны» сильнее реагировать на предположительно более горькие спелые ягоды и слабее — на переспелые.

По всей видимости, механизмы восприятия вкуса и поиска пригодного для откладывания яиц субстрата у дрозофил могут оказаться гораздо сложнее, чем в первоначально принятой модели. Так, помимо рецепции горького, важное значение может иметь и восприятие других вкусов — обратите внимание на усиленный (по сравнению с D. melanogaster) ответ длинных сенсилл у D. suzukii. Кроме того, эволюционные изменения поведения могли происходить и без изменения чувствительности рецепторов.

В еще одной серии экспериментов исследователи добавляли в клубничное пюре определенные химические вещества с горьким вкусом и предлагали мушкам на выбор обычные и горькие субстраты для откладывания в них яиц. Тесты показали, что D. suzukii менее избирательна: добавление в пюре гидрохлорида лобелина или бензоата денатония никак не влияло на ее поведение, в то время как D. biarmipes и D. melanogaster избегали откладывать яйца в такой «горький» субстрат.

Наконец, была изучена экспрессия генов, ответственных за рецепцию горького вкуса. Анализ транскриптома клеток губы дрозофил показал, что некоторые гены семейства вкусовых рецепторов (Gr), отвечающие за определение горького вкуса, экспрессируются у D. suzukii в несколько раз слабее, чем у двух других видов. Экспрессия одного из таких генов, Gr22f, у D. suzukii полностью отсутствовала. Как известно из более ранних работ, у дрозофил этот ген может отвечать за рецепцию бензоата денатония (горького на вкус): мутантные по гену Gr22f особи D. melanogaster частично теряют чувствительность к этому веществу (H. Y. Sung et al., 2017. Heterogeneity in the Drosophila gustatory receptor complexes that detect aversive compounds).

С этой точки зрения было бы очень интересно включить в данное исследование и D. melanogaster, мутантных по гену Gr22f, что авторы работы планируют сделать в будущем. Быть может, именно работа этого гена оказывается одним из ключевых моментов, направляющих поведение дрозофилы при выборе места для откладки яиц.

Обнаруженные в работе анатомические, физиологические, поведенческие и молекулярные особенности рецепции горького вкуса D. suzukii (по сравнению с двумя другими видами дрозофил), в целом, говорят о сниженной чувствительности к горькому вкусу у этого вида. Интересно, что потеря такой чувствительности уже сама по себе может привести к изменению стратегии поведения мушек, что и продемонстрировали мутанты D. melanogaster по гену Gr33a, выбравшие для кладки нехарактерные для вида субстраты. Не исключено, что редукция горького вкуса когда-то стала одной из важных причин, направивших эволюцию D. suzukii по пути «вредительства».

Впрочем, нужно подчеркнуть, что это всего лишь предположение; скорее всего, частичная потеря горькой рецепции проходила совместно с изменением других вкусовых предпочтений. Кроме того, чувствительность к определенным вкусам не обязательно должна диктовать выбор места для кладки: так, у D. suzukii не потеряна рецепция к лобелину, однако добавление этого горького вещества в среду никак не влияет на репродуктивное поведение D. suzukii (в отличие от других видов).

У других видов дрозофил освоение новых экологических ниш происходило несколько иначе: они пошли по пути специализации и адаптировались к конкретным видам растений. Так, D. sechellia откладывает яйца в токсичные для других дрозофил плоды нони (Morinda citrifolia), а D. erecta — в плоды панданов (Pandanus spp.). Оба этих вида имеют «каноническое» число вкусовых сенсилл, хотя D. sechellia, возможно, также обладает ослабленной чувствительностью к горечи: как и у D. suzukii, у нее снижена экспрессия ряда генов горькой рецепции семейства Gr.

Отметим, что по итогам обсуждаемой работы остаются вопросы — очевидно, что крайне желательно было бы провести химический анализ используемого в опытах клубничного сока. Не исключено, что многие из «чистых» горьких веществ, для которых проведено тестирование чувствительности сенсилл, в нем попросту отсутствуют, а на выбор дрозофил влияют другие, неучтенные компоненты. Будем надеяться, что в дальнейших исследованиях ученые разберутся и с этим.

Источник: elementy.ru

. .